06 ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO

ELEMENTOS DE SOSTENIMIMIE

NTO

ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO

NOMBRE:LOPEZ REQUELME GIANFRANCOCURSO:MECANICA DE ROCAS II

El sostenimiento de las labores subterráneas es una tarea de grandes proporciones y de gran complejidad, donde el fin principal es garantizar la seguridad y la eficiencia de los métodos de explotación empleados por los que realizan las labores de extracción del mineral.Una de las condiciones necesarias para que el sostenimiento se realice eficientemente luego de realizada una excavación, es la correcta indagación y evaluación de la estructura del macizo, este es el punto de inicio confiable para seguir en la tarea de seguridad y productividad

SOSTENIMIENTO

DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO

1.- Diseño basado en la experiencia que ha mostrado ser exitosa. 

2.- Diseño basado en métodos de la especialidad de Geomecánica y Mecánica de Rocas, que cuantifican y modelan el comportamiento roca -soporte.

Para adecuar un método de sostenimiento es necesario tener una evaluación geomecánica del macizo rocoso y existen para ello diversos sistemas como:

Clasificación Geomecánica de BIENIAWSKI

Valoración de la masa rocosa RMR (rock mass rating) Aplicable a la estimación del sostenimiento, al tiempo de autosostenimiento y los parámetros de resistencia de la masa rocosa.

Los siguientes 6 parámetros son usados para clasificar una masa rocosa con el sistema RMR.

1.- Resistencia compresiva uniaxial de la roca intacta2.- Designación de la calidad de la roca RQD3.- Espaciamiento de las discontinuidades4.- Condición de las discontinuidades5.- Condición del agua subterránea6.- Orientación de las discontinuidades

Pautas para la excavación y el sostenimiento según el RMR1989 para un excavación de 10 metros de ancho

Clasificación geomecánica de BARTON.-Índice de calidad tunelera (Q) para la determinación de las características de la masa rocosa y de los requerimientos de sostenimiento de túneles.

Q=RQD x Jr x Jw Jn Ja SRF

RQD: Designación de la calidad de la roca (=115-3,3Jv)Jn: Numero de sistemas de juntasJr: Numero de rugosidad de las juntasJa: Numero de alteración de las juntasJw: Factor de reducción de agua en las juntasSRF: Factor de reducción de los esfuerzos

CATEGORIAS DE SOSTENIMIENTO

CONDICIONES DE

INESTABILIDAD EN LAS

EXCAVACIONES

SUBTERRÁNEAS

Calidad del macizo rocoso

Mal diseño en el trazo de la perforación y

voladura

Mala disposición de los elementos de

soporte

SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO Usualmente se denomina soporte de rocas a los procedimientos y materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al perímetro de la excavación subterránea. Se puede clasificar a los diversos sistemas en dos grandes grupos:

LOS DE APOYO ACTIVO(REFUERZO): que viene a ser el refuerzo de la roca donde los elementos de sostenimiento son una parte integral de la masa rocosa.

LOS DE APOYO PASIVO(SOPORTE): donde los elementos de sostenimiento son externos a la roca y dependen del movimiento interno de la roca que está en contacto con el perímetro excavado.

PERNOS DE ANCLAJE• El empernado es un tipo de sostenimiento activo, los pernos simulan

grapas haciendo que la roca fija se conecte a una roca suelta.

• Se instala aprovechando el tiempo de autosostenimiento.

• El espaciamiento entre pernos varía según al volumen de bloques por sostener.

• La dirección de los pernos se determina de acuerdo al rumbo de las estructuras, previo un plano estructural, dibujados en cortes ó secciones.

• la longitud del perno debe sobrepasar “el campo” afectado por la voladura.

PRINCIPIOS DE SOSTENIMIENTO DE LOSPERNOS

EFECTO “CUÑA”

En roca masiva o levemente fracturada y en rocas fracturadas, el papel principal de los pernos de roca es el control de la estabilidad de los bloques y cuñas Rocosas potencialmente inestables.Ésto es lo que se llama también el “EFECTO CUÑA”.

EFECTO “VIGA”

En roca estratificada sub-horizontal y roca no estratificada con un sistema de fracturas dominantes subhorizontales,los pernos ayudan a minimizar la deflexión del techo (pandeamiento). Esto es lo que se llamatambién el “EFECTO VIGA”.

EFECTO “ARCO”

En roca fracturada e intensamente fracturada y/o débil, los pernosconfieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación.Instalados en forma radial, los pernos en conjunto forman un arcorocoso que trabaja a compresión denominado “efecto arco”, elmismo que da estabilidad a la excavación.

LA BARRA HELICOIDALLa barra helicoidal ha sido diseñada para reforzar y preservar la resistencia natural que presentan los estratos rocosos, suelos o taludes. Consiste en una barra de acero con resaltes en forma de hilo helicoidal de amplio paso, que actúa en colaboración con un sistema de fijación formado por una placa perforada de acero y una tuerca. La inyección de concreto, mortero o resina en la perforación del estrato en que se introduce la barra sirve de anclaje, actuando el hilo como resalte para evitar el deslizamiento de la barra. Ello da como resultado un conjunto altamente resistente, sometido a esfuerzo de compresión

BARRA HELICOIDAL•Su mayor diámetro le confiere mayor resistencia y su rosca constante permite el reajuste de la placa contra la pared rocosa. • Su uso esta orientado a perforaciones de diámetro como promedio de 36 mm.• La barra helicoidal esta diseñado para incrementar la capacidad de transferencia de carga.La capacidad de anclaje de las varillas de fierro corrugado es del orden de 12 TM, mientras que de las barras helicoidales superan las 18 TM.

SPLIT SET

Consiste en un largo tubo compresible de acero de alta resistencia, ranurado en toda su longitud, en un extremo es mas delgado, para facilitar su introducción en el taladro y en el otro extremo tiene un anillo soldado para su instalación y retener la placa.

Este elemento de sostenimiento desarrolla la estabilidad de la roca por fricción; como el tubo cortado es forzado en el hueco perforado, la acción de instalación comprime el tubo generando una fuerza radial contra la roca, lo que genera una resistencia al deslizamiento entre la roca y el acero

Split – set Ventajas• Es simple y rápido para instalar . • No se puede tensar y se activa por el movimiento de la roca.• En algunas oportunidades, donde se ha requerido un soporte por largo tiempo, se han presentado problemas por oxidación. • El dispositivo no puede ser inyectado con mortero.

PRINCIPIO FÍSICO MECANICO DEL FUNCIONAMIENTOEl perno estabilizador es insertado en una perforación de diámetro menor, la que actúa como una matriz comprimiendo el estabilizador al diámetro de la perforación, cerrando parcialmente la ranura durante el proceso.

La compresión sobre el estabilizador genera fuerzas radiales de confinamiento que se extienden en toda la longitud de contacto con la roca que lo contiene.

La Resistencia de un Split Set La resistencia de un “split set” puede variar por el: • Tipo de roca (el “Split Set” tiene desempeño favorable en rocas Tipo II y III (RMR >50,GSI: F/R, MF/R, MF/P).• Diámetro de perforación ( recomendable 36 – 38 mm )Presencia de fallas y fracturas.• Angulo de instalación del “Split Set” formado con la superficie de la roca a soportar.

Las siguientes consideraciones son importantes para su utilización:

•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 débil no es recomendable su uso.•Su instalación es simple, solo se requiere una máquina jackleg o un jumbo. Proporciona acción de refuerzo inmediato después de su instalación y permite una fácil instalación de la malla.•El diámetro del taladro es crucial para su eficacia, el diámetro recomendado para los split sets de 39 mm es de 35 a 38 mm, con diámetros más grandes se corre el riesgo de un anclaje deficiente y con diámetros más pequeños es muy difícil introducirlos. Son susceptibles a la corrosión en presencia de agua, a menos que sean galvanizados. En mayores longitudes de split sets, puede ser dificultosa la correcta instalación. Los split sets son relativamente costosos.

SwellexLos pernos de anclaje de Swellex son tubos de acero de alta calidad, herméticos, de doble plegado, que se expanden con bombas de agua de alta presión dentro de un hoyo pre-perforado.

La expansión del tubo genera fricción de contacto y vinculación mecánica entre el acero y la roca produciendo un refuerzo en forma columna en la roca.

Características•El Swellex se adhiere a las irregularidades del barreno perforado y proporciona inmediatamente capacidad de columna completa y carga total.• Swellex se deforma para acomodarse a los movimientos del terreno, al mismo tiempo que conserva la capacidad de soportar la carga.• La instalación manual es fácil, rápida y no requiere equipo pesado.• Swellex es versátil y se puede usar en cualquiera geometría de excavación • Con la instalación de pernos mecanizada, Swellex reduce dramáticamente el tiempo improductivo, problemas y el consumo de partes de desgaste de los equipos apernados.• Swellex es insensible a las voladuras y variaciones de diámetro del barreno. 

Longitud y espaciamiento de los elementos de sostenimientoAlgunos métodos para determinar la longitud de un Perno para Rocaa) La profundidad de las capas (X) a soportar, longitud del perno

(L) = X + 0.75 m.b) Dimensión de los bloques (X) a soportar, longitud del perno (L) = X + 0.75 m.c)  L = 1.4 + (0.15 X W) por L = longitud del perno, W = Ancho de la apertura en metros.

L = X + 0.75M L = 1.4 + (0.75MxW)

Espaciamiento de los Elementos de SostenimientoNormalmente el espaciamiento de los pernos de sostenimiento instalado sistemáticamente resulta en un mínimo de 1,0 metro y un máximo de 1,5 metros. El espaciamiento entre Elementos de Sostenimiento puede cambiar cuando se combina con otros sistemas; ya sea: shotcrete, malla de alambre, cintas metálicas etc.

L \ E = 1,75

donde; L = Longitud del pernoE = Espaciamiento de los pernos

CAPACIDAD DE SOSTENIMIENTO DE LOS 4 SISTEMAS DE PERNOS EN FUNCION DE SUS LONGITUDES

EFECTIVAS

ELONGACION DE LOS SISTEMAS DE PERNOS

RESUMEN COMPARATIVO ENTRE LOS SISTEMAS DE PERNOS

MALLAS METALICAS Es utilizada para los siguientes fines:

Primero, para prevenir la caída de rocas ubicadas entre los pernos de roca, actuando en este caso como sostenimiento de la superficie de la roca.

Segundo, para retener los trozos de roca caída desde la superficie ubicada entre los pernos, actuando en este caso como un elemento de seguridad.

Tercero, como refuerzo del shotcrete. Existen dos tipos de mallas: la malla tejida (eslabones o entrelazada) y la malla electrosoldada (soldada).

CIMBRASLos arcos metálicos, denominados también como cerchas o cimbras, es un sistema pasivo de sostenimiento debido al hecho que los arcos de acero no interactúan con la roca de la misma forma que como ocurre con los pernos ; en este caso, los elementos se hacen parte de la masa rocosa.

Estos soportes son altamente efectivos para resistir cargas pesadas, incluso después que se han producido fuertes deformaciones.

Si no están bien colocados, en contacto continuo con el medio rocoso, son ineficientes y propensos a torcerse bajo cargas excéntricas.

Carga puntual sobre cimbras

Sucede cuando la roca se encuentra en intensa deformación elástica, debido a esfuerzos tectónicos u otras causas, los bloques de roca A,B,C tienden a estallar repentinamente, siendo proyectados violentamente al interior del túnel

Hormigón proyectado(SHOTCRETE)

Es el concreto obtenido mediante la mezcla de cemento, agregados, agua, aditivos y elementos de refuerzo; el cual es lanzado con una bomba proyectora empleando un flujo de aire comprimido hasta la superficie de la roca.

Aplicación del Shotcrete

• Aplicamos shotcrete para resolver problemas de estabilidad en túneles y en otras construcciones subterráneas.

• Sostenimiento y Estabilidad de taludes

• El concreto lanzado aplicado correctamente, vía húmeda o vía seca, es un material de construcción sólido y durable, del que se puede obtener un concreto denso, con relaciones agua/cemento bajas, de alta resistencia, baja absorción, buena resistencia al intemperismo y buena adherencia.

PRINCIPALES ADITIVOSLos principales aditivos pueden ser clasificados como sigue:

a) PlastificantesLos plastificantes son aditivos que ayudan a la bombeabilidad o fluidez del concreto

b) AcelerantesLos acelerantes del shotcrete son productos que son añadidos al mismo, segundos o minutos antes que sea aplicado a la superficie

c) EstabilizadoresSon productos químicos que detienen o estabilizan el proceso de hidratación.

d) MicrosiliceEl microsílice es un subproducto de la producción silica del acero.

Los métodos de aplicación de shotcrete se pueden dividir en dos:

• Vía seca ( al que se le añade el agua en la boquilla)

• Vía húmeda (al que el agua se le añade antes de entrar por la manguera)

El shotcrete es impulsado por aire comprimido

Velocidad de salida de la manguera debe ser 100m/s

SHOTCRETE VIA SECA

Agua

Bomba de dosaje deAcelerante separada

Dosis de acelerante & relación A/C controlada por el operador

Aire

Mezcla seca -Agregados, cemento ( fibras)

Acelerante Agua y ac

eleran

teRendimiento : Menos de 1 m3/hrRebote : Agregados - 30 to 50% Fibras de acero - 30 to 50%

Mezcla seca + aire

SHOTCRETE VIA HÚMEDA

Acelerante

Mezcla húmeda -agregados, cemento, agua

aditivos

Mezcla húmeda bombeada

Aire Comprimido

AceleranteBOMBA DE DOSAJE DE ACELERANTE INTEGRADA Rendimiento : 4 to 5 m3/hr

Rebote: Agregados - 2 to 10% Fibras de acero – 2% to 10%

Control de dosaje del acelerante y volumen de aire en la bomba

Comparaciones entre los dos métodos:

CAPACIDAD PORTANTE DE LA CÁSCARA

El siguiente balance de fuerzas establecido por Sattler permite determinar , por un simple cálculo, el espesor y la carga de ruptura por corte de la cáscara de concreto.

Fuerza actuante = Fuerza resistente

Cálculo de espesores de la capa de concreto rociado

Carga de concreto rociado bajo cargas flexionantes

La aplicación de un momento flector o dos pares de fuerzas a una cáscara de concreto rociado genera la flexión de ésta. Al buscar el momento resistente de la losa se ha establecido la relación entre el esfuerzo aplicado (momento flector) y las características dimensionales de ésta.La masa de roca que e necesario soportar se presenta en el gráfico, la altura estática que interviene en el cálculo del espesor de la cáscara puede ser considerada como el doble del espesor de ésta.También se admite que la adherencia del concreto rociado con la roca permite la absorción de los esfuerzos de flexión pequeños, poco importantes para modificar el esquema, aun si la roca se presenta quebradiza o fragmentada

El esfuerzo máximo resistente

La tensión al corte en la zona de influencia

Generalmente

En las superficies no planas de la roca, como representamos en el gráfico siguiente forradas con concreto rociado actúan tensiones de flexión y tracción, debido a la carga en forma de arcos de parábolas de la roca, a las que se superponen otras tensiones al corte provocadas por efectos terciarios, produciéndose esfuerzos locales extraordinarios y dando lugar a deformaciones, rajaduras y desprendimientos de rocas; se hace necesario controlar estas anomalías configurando con la cáscara de concreto rociado bóvedas secundarias, de forma que se aproveche la alta resistencia del concreto a la compresión.

Cálculo de espesores de concreto rociado

debido a cargas flexionantes

Sostenimiento con madera

Estos son utilizados para sostener galerías, cruceros y otros trabajos de desarrollo, en condiciones de roca fracturada a intensamente fracturada y/o débil, de calidad mala a muy mala y en condiciones de altos esfuerzos. Si las labores son conducidas en mineral, el enmaderado debe ser más sustancial para mantener la presión y el movimiento de roca en los contornos de la excavación.

Los principales tipos de cuadros que usualmente se utilizan son: los cuadros rectos, los cuadros trapezoidales o denominados también cuadros cónicos y los cuadros cojos. Todos estos son elementos unidos entre sí por destajes o por elementos exteriores de unión, formando una estructura de sostenimiento.

Tipos de cuadroSombrero soportado por dos postes verticales, este es el llamado cuadro recto

Sombrero reducido sobre postes inclinados, se le conoce como cuadro cónico

Cuando el techo y solo una de las cajas es suelto, se utilizan los cuadros cojos

APLICACIÓN DE SOSTENIMIENTOMINA ORCOPAMPA – BUENAVENTURA ( AREQUIPA)

El Departamento de Geomecánica de Mina Orcopampa,entre otras actividades realiza mapeos geomecanicos diarios en todas las labores mineras, en base al cualdetermina la calidad de la masa rocosa. Según el criterio deBieniawski (1989), utilizado en Orcopampa para clasificar lamasa rocosa del yacimiento, la calidad de la misma varía mayormente entre Regular B (III-B - RMR de 41 a 50) y Mala A (IV-A – RMR de31 a 40), en pocos caso la roca llega a tener calidad superior, pero si puede llegar a tenerCalidad inferior como Mala B(IV-B –RMR 21 a 30) yMuy Mala (V – RMR < 21).

Las aplicaciones de estos diversos tipos de sostenimiento están estandarizadas a los tipos de rocas y al tamaño delas labores mineras, sean estas temporales o permanentes.

GRACIAS