sostenimiento de terrenos

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Pág. 1 Sostenimiento de terrenos Una Guía de Entrenamiento y Seguridad para los Trabajadores y Técnicos de Minas INTRODUCCIÓN Este documento ha sido preparado como una información básica para el sostenimiento de terrenos en las minas subterráneas. Mediante el estudio de las condiciones geológicas subterráneas del área, se pueden establecer los planes por seguir para garantizar la instalación adecuada de las fortificaciones. Existen diferentes tipos de rocas, cada una de las cuales tiene sus propias características y propiedades físicas. Existen también diferentes situaciones que requieren el uso de fortificación adicional para consolidar los estratos en la roca, afirmar los bloques y prevenir la roca suelta que podría salirse. A continuación se hace una descripción de los diferentes tipos de pernos para sostenimiento de la roca con cuadros comparativos de sus características y técnicas de instalación. I - CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LA ROCA DIRECCIÓN Y PRESIÓN (ESFUERZOS) IN SITU DE LA ROCA FORMACIÓN DE TERRENOS A Por estratificación, formado por estratos sedimentarios de la roca y materiales volcánicos. Cada capa está formada por materiales rocosos con características físicas diferentes. B Por la fuerza tectónica, se produce el disloque y la deformación de los estratos. Se reorienta la dirección de la compresión y se provocan

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Sostenimiento de terrenos

Sostenimiento de terrenosUna Gua de Entrenamiento ySeguridad para los Trabajadores y Tcnicos de MinasINTRODUCCINEste documento ha sido preparado como una informacin bsica para el sostenimiento de terrenos en las minas subterrneas. Mediante el estudio de las condiciones geolgicas subterrneas del rea, se pueden establecer los planes por seguir para garantizar la instalacin adecuada de las fortificaciones. Existen diferentes tipos de rocas, cada una de las cuales tiene sus propias caractersticas y propiedades fsicas. Existen tambin diferentes situaciones que requieren el uso de fortificacin adicional para consolidar los estratos en la roca, afirmar los bloques y prevenir la roca suelta que podra salirse. A continuacin se hace una descripcin de los diferentes tipos de pernos para sostenimiento de la roca con cuadros comparativos de sus caractersticas y tcnicas de instalacin.

I - CARACTERSTICAS Y PROPIEDADES DE LA ROCA DIRECCIN Y PRESIN (ESFUERZOS) IN SITU DE LA ROCA

FORMACIN DE TERRENOSA Por estratificacin, formado por estratos sedimentarios de la roca y materiales volcnicos. Cada capa est formada por materiales rocosos con caractersticas fsicas diferentes.

B Por la fuerza tectnica, se produce el disloque y la deformacin de los estratos. Se reorienta la direccin de la compresin y se provocan las fracturas de los estratos (capas).

C Por aspectos generales en la formacin geolgica de las estructuras y zonas, como fallas, fracturas y contactos.

D Por la accin volcnica, cuando los diques se llenan de material volcnico.

Antes de la explotacin, el terreno es estable y se encuentra en un estado de equilibrio. Durante el proceso de minado, con la excavacin de las aberturas subterrneas, las presiones in situ de la masa rocosa se reorientan y se concentran.

En las minas, la masa tpica de la roca est alrededor de 2,7 toneladas por metro cbico. Esto representa una presin de 13,5 Mpa, a una profundidad de 500 metros.

Normalmente, la presin horizontal iguala en 1,5 a 2 veces la presin vertical para las minas de roca dura. En las minas ms profundas (de 1,500 metros a ms), esta relacin puede disminuir a 1 :1. En las minas situadas en montaas, tales como los Andes, se puede alterar dramticamente esta relacin al punto donde son mucho menores las presiones horizontales que la vertical.

El tipo de roca y las condiciones de la tierra pueden variar con el avance de una galera. Un sistema de fortificacin desarrollado para la situacin < A > debe ser tambin flexible para las condiciones variables de < B >.

El efecto de la presin in situ en la roca vara con:

-El tipo de roca,

-Proximidad de las fallas,

-Dimensiones de la excavacin,

-Geometra de la excavacin,

-Proximidad con otras aperturas.

La reorientacin y la concentracin de la presin in situ alrededor de las excavaciones se deben a la geometra de la abertura. En tal situacin, el efecto de las fuerzas se concentra ms en las esquinas de la galera. (En el ejemplo, marcas ).

El efecto de la geometra y de la distribucin de las fuerzas de compresin. El ejemplo formado en arco es ms resistente a la concentracin de las fuerzas verticales. Las esquinas en el ejemplo contribuyen a una concentracin ms alta de las fuerzas.El concepto desarrollado de "arco natural.Z1 - zona de material sueltoZ2 - zona del arco naturalZ3 - lmite de relajacin del terrenoLa zona (Z1) de material suelto en su ancho natural est reforzado por pernos para roca. Trminos para describir el movimiento del terreno debido a las presiones o fuerzas in situ fuertes.II - SELECCIN E INSTALACIN DE LOS PERNOS PARA ROCALa seleccin y el mtodo de instalacin de un perno para roca dependen de lo siguiente: el tipo de roca, el tamao y la direccin del movimiento principal, y la duracin planeada para la abertura.Desde el punto de vista de la funcin de un perno para roca, se establece la clasificacin de los elementos de soporte, tales como la "fortificacin activa" y la "fortificacin pasiva".La fortificacin activa comprende todos aquellos elementos o sistemas que ejercen accin soportante desde el mismo momento en que son instalados mediante la aplicacin de una carga externa sobre el macizo rocoso. Entre stos se encuentran los pernos con anclajes, la barra corrugada tensionada y cables de acero tensionados.La fortificacin pasiva comprende aquellos elementos que slo trabajan cuando el macizo rocoso experimenta deformacin. Entre stos se encuentran los pernos Swellex, Split Set y los pernos cementados, soporte con maderas, etc.Desde el punto de vista de la temporalidad, bsicamente es posible distinguirlos por los tipos de fortificacin y por la vida til del sistema de soporte.Fortificacin de corto tiempo. Se instalan inmediatamente despus del disparo (detonacin) del frente, sostenimiento de aberturas de corto tiempo, pernos con anclajes y estabilizadores de friccin.Fortificacin definitiva. Los cables de acero y la barra corrugada con resina o cementada deben instalarse para asegurar la estabilidad del diseo minero y sus singularidades para toda la vida til del proyecto. Adems, debe permitir extraer la tasa de produccin programada.TIPOS DE TERRENOSA Masivo, duroB LaminadoC FracturadoOtras consideraciones significativas en la seleccin de un perno para roca: A - el peso mximo de los bloques del lugarB - proximidad de las fallasC - dislocacin o desplazamiento total anticipadoD - velocidad del desplazamiento anticipadoE - tamao y direccin de las fuerzas (presiones) in situTipos comunes de sistemas de sostenimiento de terrenos:A- Perno con anclaje B- Estabilizadores de friccin C- Barra corrugada D- Cable de aceroAlgunos mtodos para determinar la longitud de un perno para roca:A- la profundidad de las capas (x) por soportar, longitud del perno ( L) = X + .75 mB - dimensin de los bloques (x) por soportar, longitud del perno (L) = X + .75 mC - L \ E = 2,0 por L = longitud del perno, E = espaciamiento de los pernosD - L = 1,4 + (0,18 X W) por L = longitud del perno, W = tamao de la apertura en metrosComparacin de la zona de anclaje y la longitud mnima de varios tipos de sostenimiento;Sistema longitud anclaje resistencia toneladasPernos con anclaje de expansin 305mm (12'') 12,5Perno barra corrugada 20M con resina 450mm (18'') 14,0Estabilizadores de friccin 39mm 915mm (36'') 3,0Cable de acero 610mm (24'') 22,0Resistencia en traccin y la capacidad mxima de los sistemas de sostenimiento medido a 305mm y1,5 M.ESPACIAMIENTODepende del tipo del terreno para el espaciamiento y variabilidad. (E1) y (E2) espaciamiento previstoy (Z) es la zona de variabilidad en la colocacin de un perno en forma aceptable. El espaciamiento de instalacin de los pernos se debe representar por las distancias mnimas y mximas.La proximidad de un perno a una pared (caja) o a un pilar. La distancia (E0) es normalmente la mitad del espaciamiento previsto (E2).El tipo de la superficie de la roca es significativo en la planificacin del espaciamiento de los pernos debido a la existencia de bloques y de fracturas (A) o a la orientacin de los estratos (B) que requieren una flexibilidad en la colocacin de los pernos.Colocacin del perno para roca y la platina para una mejor fortificacin del terreno. Los ngulos de un perno con la superficie de la roca deben tener 90 grados o un mximo de inclinacin de 10 grados (ejemplos B, D) y la platina debe colocarse pegada a la roca, (ejemplos no aplicables A, C y E).ngulo de la instalacin y la resistencia ltima de un perno para roca. Con una inclinacin de 45 grados, un perno puede perder 30% de su resistencia en cizallamiento.Ejemplo siguiente de un perno anclaje de 5/8'' con cabeza forjada hecho en acero C1060.NGULO (grados) (G)TENSIN APLICADA (T)RESISTENCIA010203013 030 Lbs10 280 Lbs5 230 Lbs3 280 Lbs26 780 Lbs25 690 Lbs25 060 Lbs23 050 LbsPLATINAS DE APOYODos tipos principales de platinas de apoyo: plana (A) y en forma de copa (B). Las platinas tipo copa aplican una fuerza ms a la izquierda y ms lejos desde la apertura de la perforacin.Dimensiones tpicas de las platinas- 6.5mm ( ) x 100mm (4''), 125mm (5"),150mm (6") cuadradas. Hecho en aceroA36 o 44WDimetro del agujero 25mm (15/16) Pernos para roca, 5/8 y 3/4'', Barras con roscas de 3/4''35mm (1 7/16) Estabilizadores de 33mm42mm (1 5/8) Estabilizadores de 39mm, Asientos esfricosASIENTOS ESFRICOSLos asientos esfricos (C) se recomiendan para la instalacin en superficies de rocas irregulares. Para utilizar una platina en forma copa (D) debe tener un agujero de 42mm de dimetro.III - FUNCIONES DE LOS PERNOS PARA ROCA RESISTENCIA EN TRACCINLa accin principal de todos los 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 de rajaduras por las fallas y fracturas. Estas fracturas y estratos se abren con el tiempo debido a la presin vertical o horizontal in situ, por el efecto de la gravedad en los bloques y el efecto de las variaciones en la temperatura y humedad en la roca masiva.RESISTENCIA AL CORTE (CIZALLAR)La resistencia de un perno en cizallamiento depende del tipo del perno (A), la lechada utilizada (B) o la ausencia de una lechada. Una aplicacin de tensin por el perno (C) adiciona una resistencia en la friccin a travs de las fracturas o lminas, (D y E).La resistencia al corte de una barra (perno) se calcula que debe estar normalmente entre el 50 y 80 por ciento de su resistencia en traccin.CONSOLIDACIN DEL TERRENO FRACTURADOLa accin para consolidar el terreno fracturado o pedregoso se muestra aqu. Despus de este experimento, los pernos consolidaron las piedras y pueden soportar una carga ligera adicional. La consolidacin de este tipo de terreno requiere normalmente el uso de los pernos con espaciamientos cercanos y bajo tensin.CONSOLIDACIN DE LOS TERRENOS LAMINADOS (ESTRATOS)El uso de los pernos para roca de forma laminar refuerza los estratos, como el ejemplo (A). Los terrenos laminados soportados con pernos para roca bajo tensin resisten ms el disloque o desplazamiento.EL SOSTENIMIENTO DE LOS BLOQUESste es un ejemplo de la accin de los pernos para prevenir la formacin de la roca secundaria (suelta). La colocacin de los pernos y la seleccin de las platinas son de mucha importancia en el sostenimiento de los bloques en el terreno ante la presencia de estructuras fracturadas.CINTAS METLICAS (STRAPS)Normalmente, el uso de las cintas se recomienda para soportar la tierra a los bloques entre los pernos.Dimensiones tpicas: 4,75mm (3/16) X 107mm (4) X 1,8 metros (6), con tres agujeros.Para un sistema de fortificacin, conjuntamente con los pernos para roca de varios tipos. Por ejemplo, cables de acero con mordazas y barras corrugadas grouteado.TIPOS DE MALLASSe utilizan dos tipos de mallas de alambre en las minas. El tipo de malla soldada (WWF), calibreNo.9, 100mm, cuadrada, se utiliza a menudo en lminas. Por otro lado, el tipo de mallas entrelazadas(WF), calibre 6,0mm, 50mm cuadrada se emplea en rollos.Resistencias de la malla (con soporte de 1,2 x 1,2 metros);Malla soldada 100mm cuadrada, calibre 9/9 3,900 libras con un desplazamiento de 12-16Malla entrelazada 50mm cuadrada, calibre 6,0mm 7,000 libras con un desplazamiento de 14-18Cuando est bien instalada, la malla puede sostener grandes cantidades de material. Se utiliza para aumentar el reforzamiento del techo, mejorar la seguridad y proteger a los trabajadores.Existe un sistema combinado cable sling compuesto de una seccin de cable de acero cementado y los estabilizadores de friccin.Antes de la instalacin, el techo es soportado con pernos para roca.IV - SOSTENIMIENTO CON MADERASClasificado como fortificacin pasiva, el sistema de soporte con maderas no aplica ninguna carga externa sobre el macizo rocoso al momento de ser instalado. Slo trabaja cuando el macizo rocoso experimenta alguna deformacin o desplazamiento, momento en el que los elementos de fortificacin comienzan a tomar carga.Existen diferentes indica-dores que muestran un aumento de la presin en la utilizacin de soportes con maderas, como los ejemplos B y C, maderas quebradas o dobladas.V - IDENTIFICACIN DE TERRENOS PELIGROSOSExisten diferentes formas de identificar las condiciones peligrosas del terreno. Entre ellas, se debe revisar si las perforaciones normales y los sondajes tienen deformaciones, si han adoptado una forma ovalada o si se han tapado. Si el piso o caja del tnel se desva de improviso, tambin es una sealde que hay presiones, por lo que se debe informar similarmente a cuando hay rocas nuevas cadas en el tnel.Tambin se debe tener cuidado con las cuas, fracturas, fallas y quiebres que se encuentran en el terreno. stos pueden crear bloques que pueden caer en forma repentina si no se fortifican. Tambin se debe informar si hay cualquier ruido extrao en la roca y/o si el cerro comienza a gotear. En aquellas reas que tienen un alto contenido de cuarzo es normal que la roca trabaje y produzca leves chasquidos despus de una tronadura o cuando se le echa agua. Este tipo de actividad es normal. Sin embargo, se debe informar cuando se perciban ruidos intensos en las rocas.El reconocimiento y tratamiento oportuno del terreno peligroso o del sostenimiento en mal estado es vital para evitar que se produzcan accidentes, prdidas en la produccin o daos en el equipo. Existen diferentes indicadores que muestran un aumento de la presin, por lo que se deben revisar en forma constante. stos incluyen:los pernos deformados o doblados.las maderas quebradas o dobladas.los pernos cortados.la lnea del tnel vara o sube.- las mallas que se balancea debido a la gran cantidad de roca suelta que est sobre ella.- la aparicin repentina de rocas nuevas en el tnel o en el rea de trabajo.- los ruidos extraos fuertes o muy repetitivos o si el cerro comienza a gotear.la aparicin de nuevas fisuras o seales de movimiento reciente, sobre todo a lo largo de las cuas.En caso de que se perciba cualquiera de estas condiciones, se debe informar al supervisor lo ms pronto posible con el fin de que se investigue y solucione. Es responsabilidad del supervisor asegurarse de que se informe al personal que corresponda. A menudo, las medidas que se toman en forma oportuna pueden evitar accidentes graves.VI - VERIFICACIN Y CONTROL del terreno SUELTOEl desconchar abajo o la extraccin del material (roca) suelto con una barratilla constituye uno de los mtodos de fortificacin del terreno ms importante. Se puede emplear para controlar en forma local el material suelto y asegurar un rea para la instalacin del sostenimiento. Durante este procedimiento de verificacin del lugar de trabajo, no se debe realizar labor alguna que vaya a entorpecer esta tarea tan importante.En trminos generales, una barra para este trabajo debe ser unos 0,5 metros ms corta que la altura del techo y lo suficientemente larga como para permitir que se trabaje sin tener que esforzarse demasiado y sin tener que exponerse al material que cae. Esta barra tampoco puede ser tan larga como para que se quede apilada una detrs de otra. Ello podra hacer que se pierda el equilibrio.BARRATILLA - ALUMINIOHecha de un tubo de aluminio de 1'', cuadrada o redonda, puntas de acero 7/8 hexagonal, tpica longitud de 3 metros (10'). La barra de aluminio es ms liviana y fcil de manejar que las de acero hexagonal. Todas las barratillas deben tener una guarda de seguro. ste desva cualquier material que se deslice por el trabajador, evitando que golpee la mano de quien est realizando la operacin.BARRATILLA - ACERO HEXAGONALHecha de acero hexagonal 3/4, tpica longitud de 2 metros (8'). Las barratillas de acero tienen una punta de cincel plano y otra de palanca. Las barras de acero, aun cuando son ms pesadas, son mejores para desconchar el terreno suelto que las de aluminio.El desconchamiento de terrenos sueltos se debe cumplir con las siguientes pautas:-Barratillas deben estar al lado del trabajador -Mantener una base limpia y pareja-Mantener una va de escape despejada -Sondear el terreno meticulosamente-Adelantar desde el terreno bueno al maloVII - MONITOREO Y VERIFICACINPara evaluar un sistema de sostenimiento del terreno eficaz es importante una planificacin basada sobre un buen conocimiento de las caractersticas del terreno local. Las verificaciones en el sitio se deben realizar para cada componente del sistema de sostenimiento del terreno.Para llegar de una manera simple, se recomienda verificar la tensin en los pernos con anclaje o el tipo barra corrugada tensionada. Para ello se deber usar una llave de esfuerzo de torsin (torque wrench).Para la tensin se recomienda usar un perno para roca que debe estar normalmente entre 50% y80% de su lmite elstico.RELACIN ENTRE TORQUE Y LA TENSIN DE UN PERNO PARA ROCA: P = C X TTensin del perno Kn = P = Tensin del perno en librasConstante MTRICO = C = Constante ESTNDAR Torque en Nm = T = Torque en libra-pie (Ft. Lbs.)CONSTANTES (Tipo de perno)MTRICOESTNDARPerno de 3/4 tipo cabeza forjada Perno de 5/8 tipo cabeza forjada Punta roscada de 5/8N.C. y 3/4N.C. Punta roscada 5/8 y arandela dura Punta roscada 5/8 y asiento esfrico.130.147.165.179.1964045505560ESTABILIZADORES DE FRICCINVerifique que el agujero de los taladros tenga un dimetro de 35mm a un mximo de 37mm para obtener la resistencia mxima de 1,0 a 1,5 toneladas para cada 305 mm (1') de un estabilizador de friccin con un dimetro de 39 mm.PROBADOR HIDRULICOUn dispositivo de prueba hidrulico extensible es necesario para asegurar la funcin de los pernos para roca. ste permite determinar el lmite elstico y la carga mxima de la barra y la resistencia mxima del anclaje.Instrumento sencillo para medir el desplazamiento del terrenoExiste una gran variedad de mtodos que se emplean para detectar y controlar las condiciones del terreno en la industria minera. Ello, en conjunto, contribuye a lograr un ambiente de trabajo ms seguro.Entre estos mtodos se pueden considerar sistemas de monitoreo, sondeo y acuadura; mtodos de perforacin, sistema de voladura, enmaderacin, varios tipos de pernos para roca, la instalacin de las cintas y la malla y el shotcrete. Cada uno de estos mtodos es vital en un momento y lugar determinados, por lo que se deben aplicar de acuerdo con las normas de seguridad establecidas.Cada sistema debe verificarse regularmente y sistemticamente por la gente entrenada para este trabajo. Las observaciones e intervenciones de los supervisores son significativas para controlar la calidad y eficiencia de la fortificacin del terreno.VIII - COMPARACIN DE LOS SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO PARA ROCATIPO DE PERNO( TALADROmm )ELSTICO* Tone- ladasTRACCIN*Tone- ladasRIGIDEZ** Kn/m***COSTO RELATIVOPerno anclaje5/8 C1060 (32mm -38mm)6,110,033,500 - 5,250100Perno anclaje3/4 C1060 (32mm -38mm)9,015,25,250 - 8,500130Estabilizador33mm(30mm -32mm)N/A12,02,000 - 3,000225Estabilizador39mm(36mm-38mm)N/A14,02,000 - 3,000240Barra corrugada 20M y Resina28mm(32mm-36mm)12,416,770,000270Barra corrugada 20M (cementada) (32mm -40mm)12,416,726,00 - 35,000180Swellex EXL26mm(32mm -39mm)7,09,08,500 - 12,000300Cable de acero15.9mm (cementado) (38mm -41mm)22,029,0N/A320* Especificaciones mnimas CAN/CSA - M430-90, ASTM F432-88, Informaciones de los fabricantes** Kn/m Guide dutilisation du boulonage CRM, (Canad) 1987*** Costos aproximados, perno de 2,1 M, instalado con sus accesoriosN/A No aplicable N/I No informacin