ASIGNATURA PROFESOR ESTUDIANTES

SOSTENIMIENTO CON PERNOS DE ROCA : EXPLOTACION SUBTERRNEA II : ING. EDMUNDO CAMPOS ARZAPALO : FLORES EYZAGUIRRE, Juanito. GARIBAY FLORES, Christian. NUEZ ACHALLMA, Hctor. QUISPE LOAYZA, Emerson. TIPE QUISPE, Vladimir Jos. Ayacucho - Per2010

En masas rocosas masivas o levemente fracturadas con excavaciones bien perfiladas, habr una mnima necesidad de sostenimiento. En masas rocosas fracturadas o estratificadas con excavaciones bien perfiladas, habr un incremento en la necesidad de sostenimiento. En masas rocosas intensamente fracturadas y dbiles o en zonas de falla o de corte, definitivamente habr necesidad de planear cuidadosamente el sostenimiento. En condiciones de altos esfuerzos, los cuales inducen fallas en la masa rocosa de las excavaciones, ser esencial plantear estrategias especiales 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 permetro de la excavacin subterrnea. Se puede clasificar a los sistemas en dos grandes grupos: 1.- SOSTENIMIENTO ACTIVO: Que viene hacer el refuerzo de roca donde los elementos de sostenimiento son una parte integral de la roca, este tipo de sostenimiento trabaja inmediatamente despus de ser instalado. Ejemplo: Los diferentes tipos de perno como (perno helicoidal, Split set, swellex, hydrabolt. Etc.). 2.- SOSTENIMIENTO PASIVO: donde los elementos de sostenimiento son externos a la roca y dependen del movimiento interno de la roca ya que est en contacto con el permetro excavado. Ejemplo: las cimbras o cerchas, shotcrete (va hmeda y va seca)

SOSTENIMIENTO ACTIVO (REFUERZO) Pernos con resina / cemento Split set Pernos mecnicos Concreto lanzado (shocrete)

SOSTENIMIENTO PASIVO (SOPORTE) Cuadros de madera Cimbras Wood packs (paquete de madera) Gatas de friccin Relleno hidrulico Puntal de seguridad

Pernos y mallas (sist. Combinado)

Anillos con concreto (sist. Combinado)

Los sistemas de reforzamiento con pernos de roca minimizan las deformaciones inducidas por el peso muerto de la roca aflojada, as como tambin aquellas inducidas por la redistribucin de los esfuerzos en la roca circundante a la excavacin. En general, el principio de su funcionamiento es estabilizar los bloques rocosos y/o las deformaciones de la superficie de la excavacin, 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 cuas rocosas potencialmente inestables. Esto es lo que se llama tambin el efecto cua. Cuando los bloques o cuas son aislados solo amerita estabilizarlas con pernos aislados, a esto es lo que se denomina tambin, sostenimiento aislado o espordico, de lo contrario lo usual ser el sostenimiento sistemtico en todo el techo y/o paredes de la excavacin, segn sea requerido.

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 cuas rocosas potencialmente inestables. Esto es lo que se llama tambin el efecto cua. Cuando los bloques o cuas son aislados solo amerita estabilizarlas con pernos aislados, a esto es lo que se denomina tambin, sostenimiento aislado o espordico, de lo contrario lo usual ser el sostenimiento sistemtico en todo el techo y/o paredes de la excavacin, segn sea requerido.

En roca estratificada subhorizontal 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 ligazn entre los bloques tabulares, para minimizar la deflexin del techo. Esto es lo que se llama tambin el efecto viga..

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 COLUMNA

Actualmente hay disponibles diferentes tipos de pernos de roca. Varios tipos de pernos muestran solo diferencias menores en su diseo y son bsicamente variedades de un mismo concepto. Segn las tcnicas de anclaje que se utilizan, podemos agruparlos de la siguiente manera: Pernos anclados mecnicamente Pernos de varillas cementados o con resina (Barras Helicoidales) Pernos anclados por friccin. (Split sets, Swellex , Hydrabolt)

PERNOS DE ANCLAJE MECNICO DESCRIPCIN: Un perno de anclaje mecnico, consiste en una varilla de acero usualmente de 16 mm de dimetro, dotado en su extremo de un anclaje mecnico de expansin 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 cncava 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 instalacin requeridas. Este tipo de pernos es relativamente barato. Su accin de reforzamiento de la roca es inmediata despus de su instalacin. Mediante rotacin, se aplica un torque de 135 a 340 MN (100 a 250 lb/pie) a la cabeza del perno, el cual acumula tensin en el perno, creando la interaccin en la roca

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: adhesin qumica, friccin y fijacin, siendo los dos ltimos mecanismos los de mayor importancia, puesto que la eficacia de estos pernos est en funcin de la adherencia entre el fierro y la roca proporcionada por el cementante, que a su vez cumple una funcin de proteccin contra la corrosin, aumentando la vida til del perno. De acuerdo a esta funcin, en presencia de agua, particularmente en agua cida, el agente cementante recomendado ser la resina, en condiciones de ausencia de agua ser el cemento. Dentro de este tipo de pernos, los de mayor utilizacin en el pas son: La varilla de fierro corrugado, generalmente de 20 mm de dimetro La barra helicoidal de 22 mm de dimetro, con longitudes variables (de 5' a 12').

Los pernos de varilla cementados o con resina son generalmente usados como refuerzo permanente, pero tambin pueden ser utilizados como refuerzo temporal en varias condiciones de roca, desde rocas de buena a mala calidad, constituye el mejor sistema para rocas de muy mala calidad y tambin para rocas en ambientes de altos esfuerzos. En presencia de discontinuidades abiertas y/o vacas, no es recomendable su uso a menos que la inyeccin de la pasta de cemento pueda ser chequeada. Cuando se usa cemento (en cartuchos o inyectado), se requiere varios das de curado antes que el perno trabaje a carga completa, pero apropiadamente instalados son competentes y durables, con alta resistencia en condiciones de roca dura. Estos pernos tienen larga vida til y constituyen el sistema ms verstil de pernos de roca. El uso de varillas con cemento inyectado es frecuentemente el sistema de sostenimiento ms barato, pero no se debe usar en taladros con agua y tampoco se debe tensar inmediatamente. El dimetro requerido por los taladros es de 32 a 36 mm.Cuando se usa resina, sea sta de fraguado rpido (menos de 30 segundos) o fraguado lento (2 a 4 minutos), el perno trabaja a carga completa en ms o menos 5 minutos, permitiendo as pretensar el perno e instalarlo en presencia de filtraciones de agua. La resina viene en cartuchos con el catalizador separado de la resina y por efecto de la rotacin del perno al momento de introducir al taladro, stos se mezclan generando el fraguado

Primero, el equipo tcnico de apoyo de mina debe determinar el patrn adecuado de los pernos, a continuacin se perforan los taladros. Cuando se usa inyeccin de cemento, despus de la perforacin se introduce la varilla dentro del taladro. Luego se coloca la pasta de cemento utilizando un tubo hueco de PVC, que se introduce asegurndolo ligeramente a la varilla. La pasta se inyecta mediante el uso de una bomba y se va retirando el tubo de PVC conforme se va inyectando. Finalmente se coloca la placa sin tensionar el perno. El tensionado se deber ejecutar como mnimo 48 horas despus de colocado el perno, salvo el uso de acelerantes de fragua. La relacin cemento/agua ideal de la pasta de cemento es de 3.5:1 en peso, lo cual equivale a 16 litros de agua por 45 kilos de cemento

SPLIT SET 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 presin dentro de un taladro de menor dimetro, se genera una presin radial a lo largo de toda su longitud contra las paredes del taladro, cerrando parcialmente la ranura durante este proceso. La friccin en el contacto con la superficie del taladro y la superficie externa del tubo ranurado constituye el anclaje, el cual se opondr al movimiento o separacin de la roca circundante al perno, logrando as indirectamente una tensin de carga

El dimetro de los tubos ranurados vara 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 dimetro de la perforacin efectuada, la longitud de la zona del anclaje y el tipo de la roca. Las siguientes consideraciones son importantes para su utilizacin: Los split sets son utilizados mayormente para reforzamiento temporal, usualmente conformando sistemas combinados de refuerzo en terrenos de calidad regular a mala. En roca intensamente fracturada y dbil no es recomendable su uso. Su instalacin es simple, solo se requiere una mquina jackleg o un jumbo. Proporciona accin de refuerzo inmediato despus de su instalacin y permite una fcil instalacin de la malla. El dimetro del taladro es crucial para su eficacia, el dimetro recomendado para los split sets de 39 mm es de 35 a 38 mm, con dimetros ms grandes se corre el riesgo de un anclaje deficiente y con dimetros ms pequeos es muy difcil introducirlos. Son susceptibles a la corrosin en presencia de agua, a menos que sean galvanizados. En mayores longitudes de split sets, puede ser dificultosa la correcta instalacin. Los split sets son relativamente costosos

PROCEDIMIENTOS DE INSTALACIN: Una vez definido el patrn de los pernos, se perforan los taladros, verificndose que sean un poco ms largos que los pernos. Luego, se hace pasar la placa a travs del tubo ranurado y se coloca el extremo del tubo en la entrada del taladro. Se saca el barreno de la perforadora y se coloca el adaptador o culatn, acoplndose ste al otro extremo del tubo. Se acciona la perforadora la cual empuja el tubo hasta pegar la platina contra la roca

SWELLEXEs un perno de anclaje por friccin, pero en este caso la resistencia friccional al deslizamiento se combina con el ajuste, es decir, el mecanismo de anclaje es por friccin y por ajuste mecnico, el cual funciona como un anclaje repartido. tiene resultados ptimos en rocas trituradas, incluso en arenas confinadas y arcillas, se trata de una bolsa metlica de acero especialmente tratado para efectos corrosivos, se expande utilizando un flujo de agua de alta presin entregado por una bomba especial. El perno se expande al interior del taladro y tiene una carga de trabajo aproximadamente de 6 a 9 Tn.

CARACTERISTICASEl swellex est formado por un tubo de dimetro original de 41 mm y puede tener de 0.6 a 12 m de longitud o ms (en piezas conectables), el cual es plegado durante su fabricacin para crear una unidad de 25 a 28 mm de dimetro. ste se inserta en un taladro de 32 a 39 mm de dimetro. La varilla es activada por inyeccin de agua a alta presin (aprox. 30 MPa 300 bar) al interior del tubo plegado, el cual infla al mismo y lo pone en contacto con las paredes del taladro, adaptndose a las irregularidades de la superficie del taladro, as se consigue el anclaje. Una vez expandido el tubo, se genera una tensin de contacto entre el tubo y la pared del taladro, produciendo dos tipos de fuerzas: una presin o fuerza radial perpendicular a su eje y una fuerza de rozamiento esttico, en toda su longitud, cuya magnitud depende de la estructura de la roca y de la dimensin del taladro.

Bolsa metlica inflable insertada en el taladro. Alta presin de agua interna, infla la bolsa metlica generando una pequea expansin del dimetro de la perforacin.

Retirada la presin del agua, por elasticidad de la roca se genera una contraccin de las paredes del taladro encerrando al swellex.

Cuando se infla la bolsa swellex en una roca fuertemente fracturada, la presin radial ejercida sobre las paredes del taladro aprieta la interaccin entre bloques aumentando la capacidad de desgarramiento del perno.

En un suelo, el swellex causa la compactacin inmediata del material circundante al taladro aumentando su resistencia.

Para determinar el tipo de soporte se debe considerar los siguientes datos Tipo de labor Ancho de labor o luz RMR La tabla de sostenimiento esta basada partir de la Tabla de sostenimiento de tneles segn el mtodo Noruego y por experiencias obtenidas en Minas Peruanas En esta tabla estn considerados los sistemas de Clasificacin geomecnica RMR y Q se ha correlacionado con el sistema GSI LUZ/ESR LUZ : esta dada por las dimensiones de la labor ESR: es un factor que varia segn el tipo y tiempo de vida de la labor a aplicar el sostenimientoESR 3 2 1.5 1.3 1.0 0.8 Tipo de Excavacin Excavaciones mineras temporales Excavaciones verticales Excavaciones mineras permanentes carreteros y ferroviarios Casas de fuerza y tneles acueductos Estaciones de energa nuclear

Tneles

VENTAJAS: Constituyen un sistema alternativo a los Split Sets, pero de mejor rendimiento en terreno de menor calidad, para el refuerzo temporal. Debido a la existencia de distintos tipos de swellex, cubren un amplio rango de aplicacin desde rocas duras a suaves y en terrenos muy fracturados. Tienen buena respuesta a los efectos cortantes de la roca. En roca dura, 0.5 m de longitud del perno, proporciona una resistencia a la traccin igual a su carga de rotura. Dada su gran flexibilidad, stos pueden instalarse en longitudes de hasta 3 veces la altura de la labor. Es de instalacin sencilla y rpida, el efecto de refuerzo es inmediato, y est provisto de arandelas para colocar la malla en cualquier momento DESVENTAJAS: El principal problema es la corrosin, aunque las nuevas versiones vienen cubiertas con una capa elstica protectora o son de acero inoxidable. Son ms costosos que los Split Sets.

El Hydrabolt es un perno de friccin activo y de inmediata instalacin al que se le inyecta agua a altas presiones. Los Hydrabolt son un sostenimiento inmediato que empiezan a trabajar al momento que ha finalizado el inflado. No necesita de ningn tipo de aditivo, ni cemento ni resina, solamente el agua y aire comprimido de mina.

El Hydrabolt es un perno de friccin activo y de inmediata instalacin al que se le inyecta agua a altas presiones (25 a 30 MPa), se expande de 29mm a 41mm y debido a su vlvula de no retorno el agua se mantiene en el interior y ejerce presin constante en todo momento, en forma radial y a lo largo de la longitud del taladro. Cuando interactan entre si ayudan a cerrar las fracturas y discontinuidades del macizo rocoso previniendo que se deteriore ms rpidamente las cajas. Debido a la permanencia del agua se obtiene10 toneladas en promedio con solamente 30 centmetros (1 pie) de correcto inflado del perno. El Hydrabolt tiene un indicador de carga que slo se muestra si el perno ha sido inflado correctamente. Viene en diferentes colores que indican la longitud del mismo.

La

bomba de alta presin: no utiliza lubricantes, su peso es de aproximadamente 12 kilos sin las mangueras lo que la hace fcil de transportar. Construida con una vlvula de alivio para un exacto y seguro control de la presin de inflado. Necesita slo 3.5 bares de presin de aire de entrada y 2 bares de presin de agua. Pistola de seguridad de alta presin. Manmetro de presin Hydrabolt

Prepare la caja techo antes de perforar los taladros para su sostenimiento. Mida y marque las posiciones de los taladros en caja techo de acuerdo con las normas de la mina. Perfore los taladros adecuados en la caja techo a un ngulo de 90 con los estratos a lo ms cercano posible. Conectar las mangueras de aire comprimido y agua a las entradas de la bomba. Abrir primero la vlvula de aire comprimido antes que la de agua. Por cuestiones de seguridad la vlvula de alivio de presin de la pistola no debe de estar bloqueada. Estas son reguladas por la fabrica de acuerdo a los requerimientos de mina( tpicamente 25-30Mpa). La presin puede ser verificada en las labores conectando el manmetro de presin Hydrabolt. Cuando la bomba y la pistola no alivian a la presin correcta, ellas deben ser enviadas al taller de servicios y reparaciones

Mtodo: coloque el manmetro de presin en la boquilla ubicada al final de la manguera y presione el gatillo. Si la presin no esta en el rango correcto ( 25-30Mpa) abrir la proteccin que se encuentra en la pistola , ah se ubica la vlvula de regulacin. Revise que los Hydrabolts no hayan sido daados en el cuerpo o vlvula durante su transporte. Coloque la placa en el Hydrabolt. Retire la proteccin plstica de la vlvula. Revise que la vlvula est limpia y libre de cualquier contaminacin. De ser necesario, lvela Posicione la boquilla en la vlvula. Inserte el Hydrabolt en el taladro hasta que la placa est ajustada contra la caja techo

Presione

el gatillo en la pistola de seguridad y empiece a bombear el agua al Hydrabolt. Cuando el Hydrabolt empiece a expandirse, retrese a una distancia segura y contine presurizando. Contine bombeando hasta que el agua salga por la vlvula de alivio de la pistola de seguridad. Retire la boquilla del Hydrabolt, verifique que el indicador de carga sea visible y contine con la instalacin. Al finalizar la labor de instalacin de los pernos cerrar primero la vlvula de aire y luego la del agua. Seguidamente presionar la pistola con el fin de presurizar la bomba.

1. El sostenimiento en minas subterrnea siempre se debe considerar para evitar cadas de rocas y accidentes fatales y evitar la paralizacin de las operaciones unitarias de produccin. 2. La parte ms importante de un buen sostenimiento es definirlo adecuadamente e instalarlo a tiempo. parea evitar futuros accidentes 3. El control debe de realizarse en forma diaria, debiendo ser una rutina de los supervisores del Departamento de Geomecnica. 4. La instalacin de un adecuado sostenimiento depende de las condiciones que se le brinda al trabajador tales como: capacitacin, equipo (perforadora, adaptador, materiales, etc) en buen estado, aire comprimido con la presin correcta, etc. 5. El espaciamiento entre perno y perno est en funcin del tipo de roca, el mismo que ha sido definido por el rea de Geomecnica. 6. La importancia en la aplicacin de los sistemas de sostenimiento; radica en mantener seguro los equipos costosos y de ltima tecnologa que se usan en el laboreo de minas as como tambin cuidar su mayor capital, el personal. 7. La minera del Per est a la vanguardia de la tecnologa mundial, no solo en explotacin si no en muchas de sus otras operaciones unitarias, en especial en la de sostenimiento. Desde un tiempo a esta parte se ha tomado muy en consideracin el tema Geomecnica, crendose e implantndose departamentos de Geomecnica en las unidades minera