UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA Y METALURGICA

Curso: Servicios Axiliares Mineros

Profesor: Ing. Tinoco Soto, Pedro

Estudiante: Silva Hernández, Ney

Código: 20087006k

2010-2

Contenido

I. INTRODUCCIÓN 1

II. proceso de construcción de tuneles 1

III. CLASIFICACION DE LOS METODOS CONSTRUCTICOS de tuneles 2

IV. Métodos de construcción de túneles 2

El método Inglés: 2

El método Belga: 3

El método Alemán: 4

El método Austriaco: Basado en el uso de puntales de madera. 5

Método adeco-rs: 5

V. Criterios para la selección del método construcCiON 6

VI. Métodos de cálculo 6

VII. sostenimientos en minería subterranea 7

Rapidez de sostenimiento 7

Efectos de la Presión en Profundidad 8

Presencia de Fuerzas en la Roca8

Selección entre refuerzo y soporte Evert Hoek (2004) 8

Sostenimiento según la clase de terreno 10

Selección de los elementos de sostenimiento 10

VIII. SOSTENIMIENTO CON MADERAS 11

CUADROS: 12

IX. SOSTENIMIENTO CON PERNOS 13

RESISTENCIA EN TRACCIÓN 13

PERNOS CON ANCLAJES DE EXPANSIÓN 13

PERNOS CEMENTADOS (LECHADA DE RESINA O CEMENTO) 14

ELECCIÓN DE LA RESINA 14

BARRA HELICOIDAL 15

Malla de Alambre 16

Resistencia de la Malla de Alambre 16

X. Sostenimiento con Concreto lanzado (Shotcrete) 16

Propiedades del Shotcrete 17

• Aspecto. 17

• Coloración. 17

• Adherencia. 17

• Porosidad. 18

• Densidad aparente. 18

DISTRIBUCIÓN DE LOS ÁRIDOS EN EL SHOTCRETE 18

• Resistencia a la compresión uniaxial. 18

• Permeabilidad. 18

• Relación Agua/Cemento. 19

Requerimientos Básicos del Shotcrete 19

Requerimientos mecánicos: 19

Requerimientos físicos: 19

Requerimientos hidráulicos: 19

Requerimientos químicos: 19

Materiales para el Shotcrete 20

Cemento Portland 1 20

Fraguado del Shotcrete 20

El Agua 20

Los Agregados 20

Aditivos 22

Acelerantes 22

PLASTIFICANTES (REDUCTORES DE AGUA) 22

RETARDADORES 22

Fibras 23

Dosificación 25

Rebote 26

Shotcrete Vía Seca 26

Diseño de Mezcla Vía Seca 26

Shotcrete Vía Seca con fibra metálica (Humedad de 5%) 26

Shotcrete Mezcla Húmeda 27

Diseño Shotcrete Vía Húmeda 28

Diseño Vía Húmeda 28

COMPARACION Shotcrete Vía Seca y Shotcrete Vía Húmeda 28

XI. Conclusiones 29

XII. Bibiografia 30

I. INTRODUCCIÓN

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 y al equipo.

Existen varios métodos de refuerzo de la roca, pero de todos el perno es el más efectivo, rápido de instalar y de bajo costo. Se conocen varios sistemas de pernos y pernos de anclaje desarrollados a través de los años por grupos de investigación y empresas fabricantes para su

aplicación en la estabilización de excavaciones subterráneas y superficiales. Estos van desde el bulón de madera hasta el tubo de fierro o acero y varilla de acero corrugado que pueden anclarse de dos formas diferentes: Puntual y longitudinal.

La estabilización de terrenos en operaciones mineras y en construcciones en general es una labor de gran importancia y necesidad, pero a la vez de alto costo, que ocupa parte del tiempo de labor pudiendo interferir con los avances. En la minería, el desprendimiento y caída de roca constituye el mayor causante de accidentes incapacitantes y fatales de acuerdo con las estadísticas. Se requiere por lo tanto métodos de sostenimientos rápidos, seguros y de bajo costo.

El sostenimiento en minería subterránea es muy importante, ya que por la naturaleza del trabajo toda labor que se hace en el interior de la mina se realiza en espacios vacíos, inestabilizados producto de la rotura de la roca o mineral extraído; para lograr que se mantenga nuevamente estable la zona y en condiciones de trabajarla, la zona debe de redistribuir sus fuerzas, para ello es necesario apoyar inmediatamente con el refuerzo o el sostenimiento adecuado, considerando el tipo de rocas, fallas con relleno, fallas abiertas, etc.

II. proceso de construcción de tuneles

Parte del diseño empieza con la determinación de la sección que permita el ingreso del vehículo mas grande que se va a emplear de tal manera que deje espacio para la instalación de otros servicios luego sigue la perforación y voladura, ventilación, desatado, limpieza, sostenimiento.

Usualmente se controla la línea central y la gradiente con el uso de aparatos de topografía.

III. CLASIFICACION DE LOS METODOS CONSTRUCTICOS de tuneles

Los métodos de construcción de túneles se pueden clasificar, básicamente en función de dos parámetros:

* GRADO DE MECANIZACIÓN.

* COMPORTAMIENTO TENSODEFORMACIONAL DE LA EXCAVACIÓN.

Fuente: CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS CONSTRUCTIVOS (Celada,2004)

IV. Métodos de construcción de túneles

Se clasifican principalmente por las diferentes secuencias de excavación

El método Inglés: Para medios como arcilla y areniscas

El método Belga: Consiste en realizar la excavación abriendo una pequeña galería en clave del túnel para ir ensanchándola poco a poco, protegiendo y entibando el frente, hasta permitir hormigonar toda la bóveda.

Se sigue los siguientes pasos:

I. Se construye la bóveda primaria con hormigón proyectado y avances de uno a dos metros.

II. Se construye la bóveda secundaria con hormigón moldeado y longitud de cuatro a seis metros.

III. Se construye los hastiales definitivos con hormigón moldeado y longitud de dos a tres metros.

IV. Se construye la solera con hormigón moldeado y longitud de cinco a ocho metros.

Al abrir pequeñas secciones (en lugar de abrir toda la sección del túnel de unos 70 metros cuadrados que pueden dar lugar a inestabilidades del frente y a un colapso como el de Barcelona, donde se habían dejado 130 m2) es posible solucionar cualquier problema que pudiera surgir de inestabilidad.

Este método se suele utilizar en los túneles de unos 8 metros libres más 3 metros de ambos hastiales. Este método requiere la utilización masiva de mano de obra especializada, pero dada la utilización que se viene haciendo del mismo, esto ya no es una restricción del método.

TUNEL EJECUTADO POR EL METODO BELGA |

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El método Alemán: Se emplea en túneles de luces mayores de 8 metros y para la construcción de estaciones subterráneas.

Se sigue los siguientes pasos:

i. Se construyen los hastiales definitivos con hormigón moldeado y longitud de veinte a cuarenta metros.

ii. Se construye la bóveda primaria con hormigón proyectado y avances de uno a dos metros.

iii. Se construye la bóveda secundaria con hormigón moldeado y avances de cuatro a seis metros

iv. Se construye la solera con hormigón moldeado y longitud de cinco a ocho metros.

Como se puede ver, el método es similar al método belga pero cambiando el orden de las fases de ejecución: hastiales, bóveda, destroza y solera.

fases del proceso de constuccion ejecutado con el método Aleman | Túnel ejecutado por el método Aleman |

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El método Austriaco: Basado en el uso de puntales de madera.

Nuevo método Austriaco NATM: Introducido en 1964 por el profesor Ladislao von Rabcewicz para la excavación de túneles alpinos en las rocas de Austria y otros países. Consiste en excavar grandes secciones de túneles, incluso la sección completa y permitir que la propia roca sana forme un anillo de descarga en el contorno de la excavación que reduzca las presiones a absorber por el revestimiento del túnel. Se coloca inmediatamente después de la excavación un revestimiento provisional. Funciona con éxito en túneles de roca dura y provoca problemas de hundimientos en terrenos blandos (Heathrow en Londres, metro de Munich, túnel urbano de Sinesio Delgado en Madrid y metro de Barcelona, entre otros centenares).

Este método primero clasifica el macizo rocoso basado en una descripción cualitativa de las condiciones presentes cuando se hace una abertura, los parámetros geomecánicos, sistema de excavación y la sección tipo de túnel son decididas durante la construcción a base de medidas de convergencia de la cavidad.

El objetivo es lograr un sistema de soporte de estructura lo mas estable posible y económicamente posible. El aporte es el uso de sostenimiento e instrumentos de estabilización para hacer que el macizo rocoso se vuelva estable.

La excavación es secuencial, el sostenimiento del frente con una medida especial y el revestimiento final es independiente al avance.

Túnel ejecutado por el Nuevo método Austriaco NATM |

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Método adeco-rs: Usa el principio de estabilizar el “núcleo de avance”, aplicado desde 1990. El núcleo de avance es el volumen de terreno que se encuentra en el frente dentro del radio de influencia.

Este método divide al comportamiento deformacional del macizo rocoso en convergencia, extrusión y preconvergencia, además analiza las deformaciones controladas en rocas y suelos.

La excavación es a sección completa, el sostenimiento del frente con una medida general y el revestimiento final esta siguiendo de cerca a la excavación.

PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCION DEL METODO ADECO-RS |

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Detalle de colocacion de la contraboveda a pocos metros del frente |

V. Criterios para la selección del método construcCiON

* Geometria (dimensión y forma)

* Longitud

* Ubicación(urbano, edificaciones, etc)

* Rendimiento (plazo)

* Respuesta del terreno (deformaciones, aguas, etc)

* Flexibilidad antes cambios del terreno.

VI. Métodos de cálculo

* Teorías clásicas (Basados en formas de hundimiento, permiten encajar el

orden de magnitud)

* Modelos numéricos EF o DF (FLAC; PLAXIS, Z-SOIL, SIGMA,..2D-3D

* Modelos de interacción (Convergencia-confinamiento)

* Métodos empíricos

VII. sostenimientos en minería subterranea

Cuando las fuerzas verticales, las fuerzas horizontales o la fuerza de gravedad excede la resistencia natural del macizo rocoso (capacidad de autosostenir), la falla de la apertura (techo y/o las paredes) es posible.

En estas situaciones se requieren los elementos de sostenimiento.

Antes de la explotación, el terreno es estable, se encuentra en un estado de equilibrio |

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Con la excavación de las labores subterráneas y durante la explotación, las presiones in situ del macizo rocoso se reorientan y concentran. | |

Rapidez de sostenimiento

La Fig. N° 1 muestra el comportamiento de la roca al crearse una abertura en un macizo rocoso. El movimiento, antes de la instalación del soporte, está representado por el segmento

OA. Si el sostenimiento fuera incompresible, la carga sobre el soporte sería la línea AA’, pero todo sostenimiento se deforma y también las paredes de la excavación llegando a un punto de equilibrio en C con un desplazamiento radial OB y deformación AB del soporte a un nivel de carga CB. El equilibrio en C se obtiene solo si se aplica un sostenimiento apropiado y es colocado a tiempo. La línea AeE muestra el comportamiento de este soporte que cede antes de que la excavación se estabilice. La línea AF representa sostenimiento muy débil poco confiable y la línea GH corresponde a un sostenimiento muy tardío y por lo tanto ineficiente. Esto nos lleva a la conclusión de que el soporte debe ser instalado tan pronto como sea posible para que sostenga la deformación inicial de la roca al mismo tiempo que la masa rocosa genera su arco de sustentación. Adicionalmente, a menor competencia de la roca, más rápidamente debería instalarse el soporte para que el sostenimiento activo de la roca sea más efectivo y requiera menor capacidad de resistencia que un soporte pasivo. El soporte activo es de menor magnitud que el pasivo debido a que se utiliza la capacidad de autosostenimiento de la roca mientras que en el soporte pasivo se tiene todo el peso gravitacional de la roca. El perno de anclaje reúne las condiciones de soporte activo.

| Figura Nº 1. Reacción del macizo rocoso al implantarse una excavación. Acción del sostenimiento instalado en diferente periodos.(Deere D.U., et.al.,1970)|

Efectos de la Presión en Profundidad

En las minas, el peso específico de la roca es alrededor de 2.7 toneladas por metro cúbico. Esto representa una presión de 13,5 MPa (1,969 Psi) a una profundidad de 500 metros. Normalmente, la presión horizontal es igual a 1,5 a 2 veces la presión vertical para las minas de roca dura.

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Presencia de Fuerzas en la Roca

| Donde:V : Fuerzas verticales H : Fuerzas horizontalesG : Fuerza de gravedad |

Selección entre refuerzo y soporte Evert Hoek (2004)

Existe una confusión entre lo que es un soporte de roca y un refuerzo de roca.

Refuerzo de roca: Generalmente consisten en sistemas de empernado o cables que proveen un refuerzo a la masa rocosa aumentando la resistencia friccional entre bloques que la componen.

Soporte: Consistente en cerchas de acero o concreto, shotcrete o cuadros de madera, son diseñados para estabilizar la masa rocosa mediante el control del colapso progresivo o deformación de la misma.

En términos simples se dice que el refuerzo en un sistema “activo” mientras que el soporte es uno “pasivo”.

CLASES DE TERRENO

El conocimiento de las diversas clases de terrenos es fundamental para el enmaderado a fin de terminar la necesidad de sostenimiento de las labores. Desde un punto de vista práctico podemos dividir los terrenos en cuatro clases:

1-Terreno compacto: Es el formado por cristales o por partículas bien cementadas.

2- Terreno fracturado: Muestra una serie de planos paralelos de discontinuidades como los planos de estratificación en la roca sedimentaria.

3-Terreno arcilloso: Constituido por rocas casi elásticas que se deforman bajo la presión.

TERRENO FRACTURADO

4- Terreno suave: El cual esta formado por fragmentos gruesos o finos o una mezcla de ambos tamaños.

TERRENO COMPACTO

TERRENO ARSILLOSO

TERRENO SUAVE

Sostenimiento según la clase de terreno

Terreno compacto: no requiere sostenimiento sino la formación de una buena bóveda auto sostenido.

Terreno fracturado: exige solo un sostenimiento ligero, esta clase de terrenos es más resistente en dirección perpendicular a las rajaduras o planos de discontinuidad que en dirección paralela a los mismos.

Terreno suave: requiere de tipo pesado. En esta clase de terrenos las presiones son mayores cuando mas fino es el tamaño de los fragmentos.

Terreno arcilloso: exige un sostenimiento extremadamente resistente o estructuras flexibles capaces de adaptarse a las presiones que se desarrollan.

Selección de los elementos de sostenimiento

1. Condiciones de la Geomecanica del macizo rocoso

2. Tiempo de exposición

3. Propiedades mecanicas de los elementos de sostenimiento

4. Simulaciones

5. Control

6. Costo- beneficio

VIII. SOSTENIMIENTO CON MADERAS

La madera es un material muy versátil para realizar trabajos de sostenimiento.

Tipos de estructuras de madera para el sostenimiento

•Puntales: Son elementos mas simples y de uso mas frecuente en el sostenimiento de labores inclinadas. Generalmente se emplean puntales de madera ( cuartones de 5”x 6”, 6” x 8” , 8” x 10” ) o redondos de 8” a 12 “ de diámetro, con longitud de 5` a 10`.

Procedimiento para colocar puntales

1. Colocar y marcar el sitio

2. Desatar el techo

3. Desquinchar el piso

4. Hacer la plantilla en la caja piso

5. Cortar la plantilla

6. Medir el largo del puntal

7. Preparar el puntal

8. Colocar el puntal

NOTA: cuando el puntal es muy largo o las cajas son muy paradas será necesario preparar previamente un andante apoyado sobre 2 puntales inferiores.

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CUADROS: Son un tipo de estructura de Sostenimiento de acuerdo al tipo de terreno y a condiciones especiales de cada Mina. Se utilizan en labores horizontales e inclinadas. Su dimensión está de acuerdo al diseño de la labor.

Tipos de cuadros

* CUADROS COMPLETOS: Rectos, Trapezoidales.

* CUADROS COJOS.

* CUADROS CONICOS.

* CUADROS REFORZADOS: con rieles, planchas metálicas, pernos.

CUADRO RECTO | CUADROS CONICOS | CUADROS COJOS |

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VENTAJAS DE LA MADERA:

* Es ligera y fácil de manipularla.

* Es económica.

* Es versátil.

DESVENTAJAS DE LA MADERA:

* La resistencia a la flexión, tensión, compresión depende de la estructura fibrosa y de los defectos de la madera.

* La humedad ,no es resistente.

* Los hongos afectan en la humedad con poca ventilación y la madera se pudre.

* No es conveniente que la madera trabaje a la flexión, mejor trabaja a la compresión paralelo a las fibras.

IX. SOSTENIMIENTO CON PERNOS

RESISTENCIA EN TRACCIÓN

La acción principal de todos de pernos para roca es el de resistir el movimiento o el disloque del terreno. En general en la roca dura este disloque es el resultado por las fallas y fracturas. Estas fracturas y estratos se abren con el tiempo debido a la presión vertical o horizontal, por el efecto de la gravedad en los bloques y con el efecto de las variaciones en la temperatura y humedad en la roca masiva.

PERNOS CON ANCLAJES DE EXPANSIÓN

Un perno para roca con anclaje de expansión controla el movimiento o el desplazamiento de la masa rocosa induciendo la presión de la tensión de la barra entre el anclaje y la platina de

apoyo. Este tipo de soporte produce una tensión de aproximadamente 3.5 Tn y tiene una resistencia en tracción (ROTURA) máxima de 12,5 Tn.

Utilizado generalmente en las estructuras de roca masiva con bloques o estratas.

ESTABILIZADORES DE FRICCIÓN “SPLIT SETS”

Estabilizadores de fricción están constituidos por un trozo de tubo de acero más ancho que el diámetro de la perforación y que es partido a lo largo por el centro. La fricción ejercida por los costados del perno lo mantienen en su lugar creando fuerzas que se extiendan radicalmente. Este proceso provee la fuerza de fricción (1–1.5 Tn/pie) que actúa previniendo el movimiento o separación del terreno.

Utilizado generalmente en roca severamente agrietada o fracturada sujeta a condiciones de baja tensión.

PERNOS CEMENTADOS (LECHADA DE RESINA O CEMENTO)

Los pernos fabricados de acero corrugado instalados en una lechada de resina o cemento resiste el movimiento del terreno debido a los puntos de contacto del enclavamiento mecánico del perno. La unión resina o lechada con la roca depende de las irregularidades encontradas dentro de la perforación y de la estructura de la roca (- + 10 Tn/pie).

Se recomienda para todos tipos de estructuras para el sostenimiento de altra resistencia y a largo plazo.

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ELECCIÓN DE LA RESINA

Se conocen cuatro tipos de resinas que pueden usarse como adherentes: Metacrilatos, poliéster, epóxica y furánica. Las resinas poliéster y epóxica son las más usadas. El poliéster es inferior a la epóxica en resistencia, capacidad de adherencia y recubrimiento, pero su costo es inferior a esta y su resistencia es mayor que la de la mayoría de las rocas.

El poliéster es un líquido que se solidifica en contacto con un catalizador. Su resistencia se incrementa con el tiempo muy rápido al inicio y luego lento. En su masa contiene rellenos como cuarzo, plásticos, fibra de vidrio y asbesto en un 50 % de la mezcla total. Posee alta resistencia a la corrosión de ácidos, álcalis y otros; tiene baja contracción volumétrica, alta resistencia a la compresión, vibraciones y cargas repetidas. Las resinas poliuretanos de uno y dos componentes que son de la familia poliéster, poseen propiedades similares a las descritas

anteriormente y algunas son de características expansivas y de alto poder de fijación, y son apropiadas en consolidación e inyección de suelos y excavaciones.

Considerando el sistema de aplicación de los elementos del mortero en el taladro donde primero se inyecta la grava y luego la resina, y la facilidad de las pruebas en el laboratorio sin usar presión significativa de inyección, se decidió experimentar con la resina expansiva poliuretano de dos componentes.

Esta resina, cuya marca comercial es CarboPur WFA, tiene alto poder de penetración y baja viscosidad que permite rellenar fisuras y espacios pequeños con gran facilidad. En contacto con la humedad de la roca, la resina CarboPur WFA se expande de 2 a 10 veces su volumen inicial, propiedad muy importante para automezclarse con la grava. Adicionalmente, esta resina tiene características superiores a las de la lechada de cemento haciéndolo muy atractiva para fijar pernos y tendones en taladros perforados en roca.

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BARRA HELICOIDAL

Son barras laminadas en caliente con resaltes en forma de rosca helicoidal de amplio paso. El diseño de hilo permite colocar una tuerca que puede rodar longitudinalmente por los resaltes a lo largo de la barra.

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Malla de Alambre

Se utilizan dos tipos de mallas de alambre en las minas. El tipo de malla electro soldada, calibre 9 a 12, 100mm cuadrada se utiliza en rollos o en hojas, y el tipo de malla entrelazada (tejida), calibre 9 a 12, 50mm o 100mm cuadrada, en rollos.

Resistencia de la Malla de Alambre

Malla electro soldada y tejida, al ser empleado conjuntamente con elementos de soporte (pernos) con una malla de espaciamiento de 1,5 x 1,5 metros (5' x 5’) cuadrada.

* Electro soldada 100x100mm, calibre 9/9 + - 3,900 libras con un desplazamiento de 12’’-16’’

* Tejida 50x50mm cuadrada, calibre 6,0mm + - 7,000 libras con un desplazamiento de 14’’-18’’

La malla de alambre se utiliza para proteger a las personas de las rocas sueltas que pueden desprenderse de la superficie del terreno. No está considerado como sostenimiento pero sí como un elemento de seguridad. Respecto al uso de la malla de alambre para reforzar el

Shotcrete sí está considerado como un elemento de sostenimiento. Para las instalaciones de larga vida la malla de alambre es disponible galvanizada.

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X. Sostenimiento con Concreto lanzado (Shotcrete)

Se da el nombre de Concreto Lanzado o Shotcrete, al hormigón (cemento, áridos, fibra) seca o húmeda, transportado por algún medio hasta la zona reforzar y a través de una manguera es proyectado con aire comprimido a gran velocidad contra una superficie rocosa. Se le conoce también como concreto neumático o proyectado.

Básicamente el principio del Concreto Lanzado o Shotcrete consiste en lanzar o disparar por un tubo una mezcla de hormigón a la que se añade un aditivo acelerante de fragua que produce un endurecimiento muy rápido, mientras esta mezcla va impactada sobre la superficie del terreno a reforzar.

Propiedades del Shotcrete

• Aspecto.

La superficie natural del hormigón proyectado es rugosa. Esta rugosidad depende sobre todo del tamaño del árido grueso utilizado y de la técnica de proyección, o sea del operador.

• Coloración.

Las variaciones son de un gris claro a gris oscuro, depende de la distribución del agua en la superficie, y sobre todo cuando se utilizan acelerantes o cuando se ejecuta el tratamiento en varias fases.

• Adherencia.

Es una de las propiedades mas importantes del shotcrete la adherencia está en función a condiciones en que la roca sea sólida, limpia y exenta de partes sueltas.

Primeramente se forma una fina capa de pasta de cemento-arena, a la cual se incrustan los granos de áridos gruesos, efectuándose un puente o arco de adherencia. Su resistencia al desprendimiento viene dada por la variación de la naturaleza de la superficie de aplicación.

Se admite que la adherencia del shotcrete con la roca permite la absorción de los esfuerzos de flexión el cual se mejora con la adición de fibras metálicas. La unión del shotcrete con la roca debe ser lo más fuerte para evitar el proceso de relajación y descompresión.

FALTA ADHERENCIA |

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• Porosidad.

El hormigón proyectado generalmente contiene más cantidad de áridos finos y más cantidad de cemento que el hormigón tradicional; por lo que, la porosidad es menor; además, la relación agua/cemento es menor y la compacidad alta, se crean poros bajo forma de inclusiones de aire que no se comunican entre si. La porosidad son creadas por el aire encerrado durante el proceso de la operación.

• Densidad aparente.

Varían entre 2.0 a 2.5 kg/dm3 que dependen del contenido del cemento y la porosidad. La experiencia demuestra que densidades menores a 2.2 kg/dm3, conducen a la obtención de resistencias menores a 250 kg/cm2, mientras que densidades superiores a 2.25 kg/dm3 permiten obtener resistencias superiores a 250 kg/cm2.

DISTRIBUCIÓN DE LOS ÁRIDOS EN EL SHOTCRETE

• Resistencia a la compresión uniaxial.

En la mayor de las veces es ligeramente inferior a la de un hormigón normal, debido a la finura de los áridos del concreto lanzado.

Como dato estándar tenemos establecido resistencias a la compresión de 35 kg/cm2 a las 4:00 horas de aplicado, a los 7 días debe sobre pasar los 210 kg/cm2, mientras que a los 28 días debe estar por encima de 350 kg/cm2.

Por el uso de acelerantes de fragua se puede conseguir altos valores de resistencia inicial. Así, se puede tener la progresión de resistencias en base a mezcla de concreto prevista para obtener a la compresión de días.

• Permeabilidad.

En el caso del hormigón proyectado alcanza valores entre 10 - 25x10-10 m/s que es inferior al de un hormigón normal que es de 50x10-10 m/s.

• Relación Agua/Cemento.

La relación agua/cemento para el concreto lanzado esta comprendida entre 0.35 a 0.50 por peso, que es mas baja que la mayoría de los valores para las mezclas convencionales. La contracción por secado depende de las proporciones de mezclas empleadas, pero se encuentran entre 0.06 - 0.10 %

Requerimientos Básicos del Shotcrete

Requerimientos mecánicos:

• Debe poseer resistencia a temprana edad (horas) suficiente para contrarrestar las tensiones o relajaciones particularmente en el último tramo excavado, para este caso; resistencia mínima requerida de 100 Kg/cm2 a las 24 horas.

• Obtener resistencias suficientes para equilibrar los esfuerzos de corte o cizalla y flexo-tracción, para de esa manera soportar eficazmente a las solicitaciones del “empuje de roca”; la absorción de energía mínima requerida 350 Joules y esfuerzo residual de 2.5 MPa.

Requerimientos físicos:

• Protección contra la meteorización, la erosión o deterioro de la superficie rocosa del macizo rocoso atravesado.

• Formar superficies rugosas, en planos y ángulos lisos.

• Impedir el ingreso del aire y humedad en las aberturas de la roca.

• Impedir que la variación de temperatura circundante a la excavación adquiera alto rango

Requerimientos hidráulicos:

• Sellado de las grietas o discontinuidades para evitar que las aguas se infiltren.

• Disminuir la rugosidad en las paredes de la labor, para mantener y controlar un régimen de pérdida de flujo, cuando la excavación tiene por finalidad conducir agua.

Requerimientos químicos:

• Protección de la roca a la acción de aguas agresivas, humos, gases.

• Impedir que la roca circundante a la excavación sufra desestabilización por efectos de las aguas ácidas.

Materiales para el Shotcrete

Cemento Portland 1

Es un aglomerante que se obtiene de la transformación de una materia prima que puede estar compuesto de una mezcla de caliza, arcilla y otros minerales o simplemente caliza; en Chungar se utiliza Cemento Andino a granel.

Fraguado del Shotcrete

Es la perdida de plasticidad que sufre la pasta de cemento. Hay dos etapas de fraguado: a) Fraguado inicial cuando la masa empieza a perder plasticidad; b) Fraguado final, cuando la pasta de cemento deja de ser deformable y se convierte en un bloque rígido. El endurecimiento es el desarrollo lento de la resistencia.

El Agua

Es un elemento fundamental en la preparación del concreto lanzado, estando relacionado con la resistencia, trabajabilidad, corrosión del refuerzo y propiedades del concreto endurecido.

El agua debe ser limpia y estar libre de cantidades perjudiciales de aceite, ácidos, álcalis, sales, material orgánico y otras sustancias que puedan ser nocivas al concreto y acero.Se debe realizar análisis químicos, donde no debe tener valores superiores a los máximos admisibles de las sustancias existentes.

El agua para el curado deber tener las mismas características que el utilizado en la preparación. Por ejemplo el CO2 libre que puede estar presente en aguas provenientes de deshielo disuelven el Ca(OH)2 y provoca erosión de la superficie.

El agua de lanzado llega a una válvula instalada en la boquilla a través de una línea de alta presión y debe estar conectado directamente a la alimentación principal o al tanque de agua con aditivo, impulsado por aire comprimido. Esta presión debe ser la apropiada para el equipo.

Los Agregados

Llamados también áridos y constituyen alrededor del 75% en volumen de una mezcla típica de concreto. Los utilizados en la preparación del shotcrete se obtendrán por la selección y clasificación de materiales naturales o procedentes de machaqueo o por una mezcla de ambos.

Los agregados para el shotcrete, deberá cumplir con los requisitos de las especificaciones Standard ASTM C-33 u otras. Los agregados finos se consideran como tal a la arena de dimensiones reducidas y que pasan el tamiz 9.5mm (3/8”) agregado grueso al material retenido en el tamiz 4.75mm y puede ser grava.

ÁRIDOS SELECCIONADOS |

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Pueden emplearse agregados que no cumplan con la granulometría citada siempre que en los ensayos previos se obtengan buenos resultados. Se debe tener en cuenta que las arenas más finas favorecen la retracción y las más gruesas incrementan la resistencia y el porcentaje de rebote. Estos agregados estarán compuestos de partículas limpias, duras, resistentes y de una calidad uniforme. Su forma será redondeada o cúbica y debe contener menos del 15% de partículas planas, delgadas o alargadas; se define como una partícula alargada aquella que tiene su máxima dimensión 4 veces mayor que la mínima.

GRANULOMETRÍA DE LOS ÁRIDOS |

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El contenido límite de humedad en los áridos deberá estar comprendido entre 3% y el 6%; siendo el óptimo entre 5-6%. Si la arena es demasiada húmeda bloqueara la manguera y formará capas de mortero dentro de la shotcretera, pero si la arena está demasiada seca, el cemento no se adherirá a los granos de arena al mezclarse, lo cual producirá una separación excesiva en la manguera y polvo excesivo en la zona de aplicación.

Aditivos

* Acelerantes de Fragua.

* Plastificantes: fluidificantes reductores de agua.

* Super-fluidificantes: para la producción de hormigón y mortero fluido o como reductor de agua.

* Impermeabilizante: para hormigones y morteros.

* Estabilizadores: para estabilizar hormigones y morteros hasta 40 horas.

* Reductores de rebote.

* Reductores de polvo.

Acelerantes

Son aquellos que aceleran el endurecimiento o desarrollo de la resistencia inicial del shotcrete y en la vía húmeda modifican instantáneamente el cono para su colocación en el soporte. Además, su uso incrementa el espesor de las capas; existen 3 tipos de acelerantes:

* Silicatos. Liquido, dosificación del 5 al 8 % del peso del cemento o según indicación del fabricante; se ven influenciado por la humedad relativa del ambiente; están en desuso por la caída de resistencia finales (60-70%).

* Aluminatos. Polvo y líquido, dosificación del 1-6% del peso del cemento; son las mas utilizados.

* Libre de álcalis. Polvo y líquido, dosificación del 1-6% del peso del cemento, nueva generación ecológica que modifica la tecnología de los morteros y hormigones proyectados al no tener influencia en las resistencia finales, sin contar con lo mas importante, no quemar, ni contaminar.

PLASTIFICANTES (REDUCTORES DE AGUA)

Estos se utilizan con tres propósitos y principalmente en el proceso por vía húmeda:

* Para lograr una mayor resistencia al disminuir la relación agua/cemento.

* Para facilitar la bombeabilidad durante los trabajos.

* Para que el calor de hidratación disminuya y por lo tanto aumento en la resistencia en edades tempranas y distribución uniforme del cemento en el concreto.

RETARDADORES

Su uso es muy limitado y en zonas de climas calurosos su empleo puede evitar la presencia de juntas frías en capas sucesivas, obteniéndose así propiedades impermeables. Generalmente ocurre un retraso en el endurecimiento.

PLASTIFICANTES PARA MEZCLA VÍA HÚMEDA |

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Fibras

La adición de fibras a los morteros y hormigones mejora sus características notablemente. Aunque hay fibras de distintas naturalezas (nylon, fibras de vidrio, polipropileno, polietileno, acero, etc.). Las mas divulgadas, conocidas y de mejor rendimiento son las metálicas. Además, de la ventaja del acero de tener un módulo de elasticidad 10 veces superior al hormigón; están las cualidades de una buena adherencia de éstas a la mezcla, un alto alargamiento de rotura y una gran facilidad de mezclado.

La presencia de fibras metálicas en los morteros y hormigones proyectados hace que mejoren sus propiedades mecánicas haciendo que disminuya su fragilidad y aumenta su ductilidad después de la fisuración; aumenta la resistencia a la rotura y la capacidad de absorción de energía; disminuye la tendencia a las roturas por retracción; aumenta la resistencia a la aparición y propagación de grietas; aumenta la resistencia a la tracción, al impacto y a la cizalladura; mejora el comportamiento a la flexo-tracción y aumenta la durabilidad.

FIBRAS METÁLICAS |

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FIBRAS SINTÉTICAS |

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Al iniciarse la fisuración, las fibras metálicas ancladas a ambos lados de la fisura actúan de tirantes, resistiendo a la propagación y aumento de ésta. Así continúan hasta que se rompe a tracción o se deslizan al perder la adherencia.

Las formas más frecuentes de las fibras son:

* Sección circular, rectas

* Sección rectangular y ganchos en sus extremos

* Sección redonda y dobles ganchos en sus extremos

* Sección redonda y extremos aplastados

* Sección rectangular y extremos ovalados y girados

* La utilización más común es de fibras de 30 o 40mm de longitud y 0.50mm de diámetro.

Modelo de fisura que se observa en el terreno |

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Fallas del Shotcrete con fibra sintética |

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Dependiendo del procedimiento de proyección utilizado, las fibras se mezclan en:

* Vía seca: en la mezcladora, camión hormigonera o durante el transporte.

* Vía húmeda: en la mezcladora, con dosificador especial, camión hormigonera o durante el transporte. Especial cuidado habrá que tener con la relación agua/cemento, <0.50 para evitar problemas de trabajabilidad.

De lo anterior, el uso de las fibras se justifica porque aumentan la resistencia a la tracción, impiden el desarrollo de las grietas y fisuras producidas por contracción plástica, remplazan a la mallas electro soldadas, disminuye el rebote, mejoran la dureza y resistencia al impacto.

En el caso del uso de las fibras de acero el rendimiento depende de la dosificación (kg/m3) y de los parámetros de fibras (resistencia a la tensión, longitud, diámetro, anclaje). El factor clave para la calidad del hormigón con fibras es la relación entre la longitud y el diámetro de las fibras: cuanto más alta sea la relación l/d, mejor será el rendimiento. En el caso de fibras de acero, en el mercado existe diferentes longitudes (20, 25, 30, 35, 40, 50, 60mm) y en diferentes clases de l/d (45, 65,80).

Dosificación

* La proporción aproximada del cemento con relación a los agregados debe estar en la relación de 1:4 a 1:5 sobre la base de pesos secos, para agregados que cuentan con gravedad especifica de 2.5 +/- 0.05.

* La proporción de aditivos será según las pruebas que se realicen, teniendo como base a las especificaciones del fabricante, previa verificación de geomecánica.

Rebote

El material de rebote son agregados que no se adhieren a la superficie donde se lanza, o al refuerzo o a la capa de concreto lanzado en sí y que caen fuera del área de colocación en forma suelta. La proporción inicial del material de rebote es alta si el choro se dirige contra el refuerzo, sin embargo la formación de una capa de colchón sobre la superficie reducirá notablemente la cantidad del material de rebote.

Shotcrete Vía Seca

Los componentes del shotcrete vía seca presentan humedad entre 5 al 6%, estos 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 tobera o boquilla.

Diseño de Mezcla Vía Seca

Shotcrete Vía Seca con fibra metálica (Humedad de 5%)

INSUMOS CANTIDAD

* Cemento Portland 1 400.00 Kg.

* Arena gradación 2 ASTM 1675.00 Kg

* Fibra metálica 20.00 Kg.

* Aditivo acelerante 3.00 Gl.

* Agua (Aprox.) 164.00 Lt.

BOMBA SHOTCRETERA PARA VÍA SECA | Abastecimiento Mezcla para Shotcrete Vía Seca|

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EPP adecuado para el Lanzado Vía Seca | PROCESO CORRECTO DE LANZADO |

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Shotcrete Mezcla Húmeda

En este caso los componentes del shotcrete y el agua son mezclados en la Planta de concreto, transportado en un Camión hormigonero (Hurón), antes de la entrega a una unidad de bombeo de desplazamiento positivo, el cual luego suministra la mezcla hidráulicamente hacia la boquilla, donde es añadido el aire para proyectar el material sobre la superficie rocosa, actualmente el equipo proyector es robotizado.

PROCESO DE APLICACIÓN |

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EQUIPO PARA EL LANZADO DE SHOTCRETE VÍA HÚMEDA |

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Diseño Shotcrete Vía Húmeda

Los diseños de mezclas se realizaron en base a condiciones del concreto fresco para un asentamiento de 5” y en estado endurecido para obtener una resistencia a la compresión de 35 Kg/cm2 a las 4:00 horas, 100kg/cm2 a las 24 horas, mas de 210kg/cm2 a los 7 días y sobrepasando los 350Kg/cm2 a los 28 días, lo cual se logró con un contenido de cemento de 400 kg., una relación agua/cemento de 0.45.

Diseño Vía Húmeda

Shotcrete Vía Húmeda con fibra metálica:

INSUMO CANTIDAD:

* Cemento Portland 1 400.00 Kg.

* Arena gradación 2 1670.00 Kg.

* Fibra Metálica encolada 20.00 Kg.

* Super-plastificante 2.00 Lt.

* Acelerante Fragua 3.00 Gl.

* Agua 160.00 Lt.

COMPARACION Shotcrete Vía Seca y Shotcrete Vía Húmeda

1. La resistencia a la compresión para ambas vías, a la edad de 4:00 horas obtenida como promedio fue 35Kg/cm2, 100Kg/cm2 a más a las 24 horas, a los 7 días está por encima de 210 kg/cm2 y para los 28 días sobre pasa la resistencia de 350Kg/cm2.

2. El rebote en vía húmeda se redujo al mínimo, llegando entre un 7 al 10%; mientras que el rebote normal con el sistema en vía seca es dentro del rango del 25% al 30%; se observa otras pérdidas que se tiene que controlar como transporte, acumulación, manipuleo y otros y estas oscilan entre 10 al 20%.

XI. Conclusiones

* 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 y al equipo.

* El método Aleman es similar al método Belga pero cambiando el orden de las fases de ejecución: hastiales, bóveda, destroza y solera.

* El objetivo del método NATM es lograr un sistema de soporte de estructura lo mas estable posible y económicamente posible y su aporte es el uso de sostenimiento e instrumentos de estabilización para hacer que el macizo rocoso se vuelva estable.

* En el método NATM la excavación es secuencial, el sostenimiento del frente con una medida especial y el revestimiento final es independiente al avance mientras que en el método ADECO-rs la excavación es a sección completa, el sostenimiento del frente con una medida general y el revestimiento final esta siguiendo de cerca a la excavación.

* El soporte activo es de menor magnitud que el pasivo debido a que se utiliza la capacidad de autosostenimiento de la roca mientras que en el soporte pasivo se tiene todo el peso gravitacional de la roca. El perno de anclaje reúne las condiciones de soporte activo.

* En términos simples se dice que el refuerzo en un sistema “activo” mientras que el soporte es uno “pasivo”.

* La durabilidad del Shotcrete frente a condiciones climáticas de congelamiento, descongelamiento en pruebas de laboratorio y en las labores mineras generalmente han sido buenas; sin embargo, se pueden presentar problemas aún con el mejor Shotcrete cuando se aplica a una roca extremadamente a excepcionalmente mala, para esto se debe considerar los tiempos de auto-soporte, span y la aplicación del shotcrete.

* La utilización del Shotcrete reforzado con fibras metálicas a permitido reemplazar a los elementos de sostenimiento tradicionales como a los cuadros de madera, cimbras metálicas, arcos noruegos y otros.

XII. Bibiografia

* SOSTENIMIENTO ACTIVO DE EXCAVACIONES MINERAS SUBTERRÁNEAS Y A CIELO ABIERTO MEDIANTE EL MORTERO DE RESINA EN PERNOS Y TENDONES DE ANCLAJE

Oswaldo Ortiz Sánchez, Francisco D. Fernández Cauti, Wilfredo Blas Guzmán

* Sostenimiento en MineríaSubterránea

Cerro Rico

* SEMINARIO DE FORTIFICACION DEL MACIZO ROCOSO

IIMP

* SOPORTE SUBTERRANEO

CASTEM