Post on 18-Jul-2016
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO
FACULTAD DE INGENIRIA DE MINAS
SOSTENIMIENTO DE LABORES MINERAS CON MADERA
POR: ING. OSCAR E. LLANQUE MAQUERA
I GENERALIDADES
� Uno de los objetivos principales en el diseño del
sostenimiento de las labores subterráneas es dar
el equilibrio al macizo rocoso, es decir ayudar a
sostenerse. Para lo cual el profesional que
diseñará el tipo de sostenimiento debe de tener
amplio conocimiento de la mecánica de rocas y
geotecnia de la zona en que el sostenimiento
seleccionado pueda soportar las cargas del terreno
Zona de fracturación
Es todo el volumen de roca situado
sobre las labores que resulta
quebrantada y movido en el
reajuste de los equilibrios.
Área de la zona fracturada.- Es el
área de dicha zona, en la mayoría
de los casos está es igual a la de
las labores.
Altura de la zona dePerturbación.- Es la altura medida
sobre el eje de la zona y por
encima del área.
Principios fundamentales para el
diseño de sostenimiento� La estructura debe ser colocada lo más cerca posible al frente
para permitir sólo el mínimo reajuste del terreno de dicha colocación.
� Ella debe ser rígida para que el reajuste que se produce después de la colocación sea reducido al mínimo.
� La estructura debe estar constituida por piezas de fácil construcción, manipuleo e instalación.
� Las partes de la estructura que han de recibir las presiones o choques más fuertes deben tener tales características y ubicación que trabajen con el menor efecto sobre la estructura principal misma.
� Ellas deben interferir lo menos posible a la ventilación y no estar sujetas a riesgos de incendio.
� Su costo debe ser tan bajo como lo permita su buen rendimiento
Estimado de presión y espaciamiento
(1) Condiciones dela carga
(2) Carga de la rocaHp en pies
(3) Espaciamiento sugerido para cuadros
en pies
1. Dura e intacta.2. Masiva, moderadamente agrietada.3. Estratificada o esquistosa.4. Moderadamente fracturada y grietosa.5. Muy fracturada y grietosa.6. Sin consolidar o completamente triturada.7. Roca descompuesta que fluye a la galería.
. Prof. Moderada.8. Mojada, roca competente.9. Roca esponjada.10. Mojada, material triturado o sin consolidar.
Cero0 – 0.25 B0 – 0.5 B
0.25 B – 0.35 (B + Wt)
0.35 (B + Ht) a 1.10 (B + Ht)1.10 (B + Ht)
Excede 1.10 (B + Ht)(1.10 – 2.10)(B + Ht)
Puede caer en (1), (5) ó (7)Hp hasta 250 pies1.10 (B + Ht) ó más
Sin soporte.5 pies, si es necesario.5 pies, si es necesario.
4 a 5 pies.2 a 4 pies.2 pies
2 pies o menos.
De (1), (5) ó (7)1.5 a 2 pies.2 pies o menos.
TABLE 2.2 Esfuerzos permisibles para maderas en minas secas(lb/pulg2)
(1)Especies
(2)
Fibra más
distante a la
flexión
(3)
Compresión
perpendicular a la
flexión
(4)
Compresión
paralela a la fibra
(5)Fórmula de las columnas (P/A)
(4)
Fresno, blancocomercial
1100
(7000)
450
(1300)
1300
(6400)
1300(1-L/60d)
Cedro, rojo del oeste 800
(5300)
230
(610)
900
(5000)
900(1-L/60d)
Ciprés del sur 900
(7200)
170
(900)
1100
(6400)
1100(1-L/60d)
Abeto DouglasCostero, fibra apretada
1700
(8100)
345
(910)
1600
(7400)
1600(1-L/60d)
Abeto Douglasde las montañas
1200
(6300)
310
(820)
1200
(6100)
1200(1-L/60d)
Abeto, blancocomercial
1200
(6300)
300
(610)
900
(5400)
900(1-L/60d)
Pino del oeste 1100
(6800)
220
(680)
1200
(6200)
1200(1-L/60d)
Arce, azúcar ynegro
1200
(8900)
450
(1500)
1400
(7200)
1400(1-L/60d)
Roble rojo comercial,blanco
1100
(8100)
450
(1300)
1300
(7000)
1300(1-L/60d)
Pino blanco del oeste,Del norte, azúcar
800
(6000)
150
(600)
900
(7300)
900(1-L/60d)
Pino, noruega 900
(9400)
150
(830)
900
(7300)
900(1-L/60d)
Pino del suramarillo, fibra larga
1300
(9300)
260
(1200)
1300
(8400)
1300(1-L/60d)
Pino del sur,amarillo fibra corta
1000
(7700)
170
(1000)
1100
(7100)
1100(1-L/60d)
Abeto rojoBlanco
1000
(6700)
180
(710)
1100
(5600)
1100(1-L/60d)
Pino alarce 900(8000)
220(990)
1000(7200)
1000(1-L/60d)
Tabla . 2.3 Peso de rocasMaterial Peso in situ, lb/pie3
BasaltoDolomitaGneisGranitoCalizaArena secaArena mojadaAreniscaEsquistoLutitaPizarra
175 – 192
131 – 168
165 – 182
145 – 176
131 – 168
120
133
125 – 168
168 – 182
125 – 168
170 - 180
SOSTENIMIENTO CON MADERA
� El sostenimiento con madera, en muchos otros países es todavía un material básico de soporte para muchas minas en donde no se puede emplearse otros medios de sostenimiento. Además de datos ingenieriles que deben conocerse, la resistencia de la madera se estudia con respecto a los esfuerzos de tensión, compresión, flexión, esfuerzo cortante
Duración de la madera
La duración de la madera en las minas es muy variable, pues, depende de las condiciones en que trabaje. Por ejemplo:
� La madera seca dura más que la verde.
� La madera descortezada dura más que aquella que conserva la corteza.
� La madera “curada” (tratada con productos químicos para evitar su descomposición) dura más que la que no ha sido tratada.
� La madera en una zona bien ventilada dura más que en una zona húmeda y caliente.
Ventajas y desventajas
VENTAJAS
� Es ligera, se transporta, corta, maneja y se coloca fácilmente como soporte en la mina.
� Se rompe a lo largo de la estructura fibrosa precisas, dando señales visuales y audibles antes de que falle completamente. Esto ha hecho que los mineros consideren a la madera como una ventaja sicológica sobre el acero.
� La piezas rotas se pueden volver a utilizar para calces, cuñas, bloques, relleno, etc.
DESVENTAJAS
� La resistencias mecánicas (flexión, tensión, pandeo, compresión y cortante) dependen de las estructuras fibrosas y de los defectos naturales que son propios de la madera.
� La humedad tiene un efecto muy marcado en la resistencia.
� Muchos hongos afectan a la madera cuando hay condiciones de humedad disminuyendo considerablemente su resistencia.
� La madera es un material fácilmente combustible, por lo que el fuego podría propagarse rápidamente por los cuadros y producir gases venenosos, muchos casos sucedidos en la minas peruanas, como podemos citar uno de ellos en la Mina de Cerro de Pasco.
• La densidad de la madera descortezada es a menudo un buen
criterio de su resistencia, ya que esta representa la cantidad
real de materia por unidad de volumen.
• La resistencia se ve afectada por las imperfecciones tales como
descomposición, nudos, fisuras, fracturas, fibras cruzadas.
• Los nudos, si se encuentran en la mitad inferior de la madera
empleada como sombrero o viga, reducen la resistencia del
sombrero en la misma proporción en que el área del nudo
afecta el área de la viga.
Resistencia de la madera
Tensiones paralela a la fibra
Compresión paralelaa la fibra
Resistencia a latensión de las fibras
• Las maderas locales, en caso de estar disponibles, son
empleadas en la mayoría de las minas.
• Los troncos con grano largo, tales como el álamo,
pino, abeto, roble, castaño se prefieren ya que al
romperse dan señales de alerta.
• El nogal americano, eucalipto y sauce son maderas
flexibles, las que se doblan bajo carga y no ofrecen
mucha resistencia al movimiento de la roca
La madera para sostenimiento de mina debe ser de fibras
largas de tal manera que tengan elasticidad así como
resistencia.
TIPOS DE MADERA UTILIZADA EN MINA
• Las maderas locales, en caso de estar disponibles, son
empleadas en la mayoría de las minas.
• Los troncos con grano largo, tales como el álamo, pino, abeto,
roble, castaño se prefieren ya que al romperse dan señales de
alerta.
• El nogal americano, eucalipto y sauce son maderas flexibles,
las que se doblan bajo carga y no ofrecen mucha resistencia al
movimiento de la roca
La madera para sostenimiento de mina debe ser de fibras largas
de tal manera que tengan elasticidad así como resistencia.
Propiedades de la madera
• Entre los datos que deben conocerse se
encuentra la resistencia de la misma con
respecto a los esfuerzos de tensión, compresión,
flexión, esfuerzo cortante.
Duración de la madera
• La madera seca dura más que la verde.• La madera descortezada dura más que aquella que
conserva la corteza.• La madera “curada” (tratada con productos químicos para
evitar su descomposición) dura más que la que no hasido tratada.
• La madera en una zona bien ventilada dura más que enuna zona húmeda y caliente.
Puede estimarse que la madera tiene un vida media quefluctúa entre uno y cinco años; sin embargo, en las Minasperuanas, se encuentran maderas que superan los 20 añosde duración y todavía están en buenas condiciones, pese aestar en zonas ya abandonadas de la mina.
ELEMENTOS DE UN CUADRO DE MADERA
• Consisten de varias piezas
de madera, las que forman
un marco a través de la
sección de la galería.
• Cuando el piso de las
labores es suave se puede
colocar una cuarta pieza
colocada sobre el piso, la
que se denomina “solera”.
Uniones para cuadros
� Las formas más simples de
uniones son las más
deseables; el objetivo de las
uniones es el lograr la
mayor resistencia de la
madera con la menor labor
posible de elaboración. La
siguiente figura muestra las
uniones más típicas.
TIPOS CUADROS DE MADERA
� El tipo más censillo consta de un “Sombrero” soportado por dos postes verticales, los cuales resisten también los empujes laterales de los hastiales. Este es llamado “Cuadro recto
Cuadro recto
� Si las presiones del
techo son elevados, se
reducen la longitud del
“Sombrero”, por lo cual
los postes son
inclinados; el cuadro
tiene entonces forma
trapezoidal, disposición
común en minas
metálicas esta es
conocida como “cuadro
cónico
Cuadro cojo
Cuadro en arco sin postes
� Cuando únicamente
el techo de la galería
requiere de
sostenimiento y las
paredes son fuertes,
se pueden omitir los
postes, soportando el
cuadro en rebajes en
las paredes de la
labor.
Sombrero de un cuadro
� Normalmente está sujeta a esfuerzo de compresión paralelo a las fibras por recibir la presión de las cajas o paredes laterales de una veta o estructura; sin embargo, en terrenos muy fracturados o arcillosos puede estar sometido también a esfuerzos de flexión.
� Cuando el puente está colocado directamente sobre el “sombreo” (fig. 4.5a), ambas piezas trabajarán, principalmente, a la flexión. Por elementales reglas de resistencia a la flexión será el doble de la que ofrecerá el sombrero solo; pero si las dos piezas estuvieran sólidamente unidas (con pernos o zunchos) la resistencia sería aumentada al cuádruplo (4 veces) de la que ofrecería el sombrero solo
POSTES� Los postes desarrollan esfuerzos de compresión paralelo a la fibras debido
a la carga que toma del techo y a la reacción que provocan en el piso de la labor. Podemos apreciar la situación tratándose de un poste vertical. Cuando, se acorta el sombrero, o sea con cuadros de forma cónica con postes inclinados, se producen en la cabeza de cada poste un esfuerzo de compresión transversal a las fibras que será mayor cuanto más inclinado se encuentre dicho poste
Flexión en los cuadros
� No es conveniente que las piezas de madera, cualesquiera que ellas soporten esfuerzos combinados de compresión y flexión debido a que las fibras tenderán a doblarse o combarse con lo cual la resistencia decrece enormemente. Por lo tanto, ni los sombreros ni los postes se les debe bloquear en otras zonas que no sean los puntos de apoyo
SOLERA
� Está sometida en sus
extremos a esfuerzos de
compresión
perpendicular a la fibras
por recibir la presión del
techo, a través de los
postes y la reacción del
piso directamente
TIRANTES
� Sólo están sujetos a un
pequeño esfuerzo de
compresión paralelo a
las fibras como resultado
de presiones laterales
entre cuadros que
siempre se producen por
los reajustes del terreno
o por la falta de perfecta
verticalidad de los
mismos cuadros
Destaje en los cuadros
ELEMENTOS AUXILIARES DEL CUADRO
ELEMENTOS AUXILIARES DEL CUADRO
De acuerdo al lado que afectará la comunicación se podrá colocar una o dos
longarinas. Si los cuadros no tuvieran solera, las longarinas podrán colocarse
también longitudinalmente, pero esta vez, sobre el piso de la galería y una a cada
lado de las hileras de postes.
Espaciamiento entre cuadros
� La longitud de los tirantes determina la distancia entre
cuadros de la labor. El espaciamiento depende,
principalmente de la clase de terreno a sostener
Terrenos fracturados : 5 a 6 pies.
Terrenos quebrados : 3 a 4 pies.
Terrenos molidos o arcillosos : 2 a 3 pies
Notas:
Carga de roca Hp en pies de roca sobre el techo de soporte en galería
de ancho B y altura Ht a una altura mayor que 1.5 (B + Ht) pies.
Se asume que el techo está situado bajo la napa freática, si el techo está
permanentemente por encima de esta, los valores para (4) y (6) se
pueden reducir en un 50%.
ESTIMADO DE LA PRESIÓN DEL TERRENO
� Ordinariamente uno debe conocer
mecánica de rocas para estimar las
cargas del terreno.
� En la figura la presión promedio de
la galería está determinada por Ph =
0.3 W (0.5 Ht + Hp) lb/pie2, en donde
W es el peso por pie cúbico de
material arenoso de libre flujo.
� La presión se considera como
resultante de un material con una
consistencia y la facultad para fluir
como arena
Presión en los cuadros rectos
� Empalmes para soportar la presión vertical
y lateral, que se hacen en cuadros rectos
Presiones en los cuadros cónicos
� Empalmes para soportar la presión vertical y
lateral, que se hacen en cuadros cónicos
TIPOS DE ENMADERADO EN DIFERENTES LABORES MINERAS
PUNTALES
Los puntales o postes a ser
utilizados en las labores
mineras pueden ser ya
sean redondos o
cuadrados. Los puntales
redondos son aquellos
leños naturales, cortados y
utilizados en su forma
natural.
Se prefiere los puntales
cuadrados cuando el
tamaño del tronco permite
aserrarlo para así obtener
diferentes puntales
SOPORTE SIMPLE DE GALERÍA CON PUNTALES
En la fig. se observa tres ventajas como una situación alternativa para galerías: (1) el
soporte del techo puede no ser necesario; (2) cuando comienza la explotación, la
necesidad de pilares para el techo y piso será eliminada y el mineral no quedará en el
sitio; (3) el tajeado interferirá menos con otra operación en la galería
• El puntal inicialmente tiene una rectitud perfecta(a), permanecerá recta mientras la carga P seamenor que la carga crítica Pc, en estas condicioneslas fuerzas internas y externas están en equilibrioestable.
Cabezales (plantillas)
ARMADO DE CUADROS DE GALERÍA
� Para cuadros de galería se
usan postes de más o
menos 8 pulgadas o
material de gran diámetro.
En los tajeos es suficiente
un material más o menos
de igual diámetro aserrado
a lo largo de dos mitades.
Si se nota presión vertical,
serán necesarios postes de
gran diámetro.
CONSTRUCCION DE ECHADEROS� Los echaderos de la fig (a) se usan donde el soporte del terreno
es innecesario. Generalmente es posible sostener el peso de la
columna principal de mineral roto sobre la roca sólida, mejor que
sobre el piso enmaderado del echadero
ENCRIBADO.
� En el terreno pesado o
descompuesto y fluido el
bloqueado que se ve en la figura
puede remplazarse o
suplementarse con un entablado
de eucalipto de 6 a 8 pulgadas de
diámetro por 5 pies de longitud,
rajado en forma tal que se tenga
de 4 a 6 piezas de forma
triangular. Este encribado es
firmemente sujetado entre el
encribado y las cajas. El
movimiento del terreno es
soportado por la compresión del
eucalipto
APLICACIÓN DE PUNTALES
� Los PUNTALES son los elementos más
simples y de uso más frecuentes en el
sostenimiento de labores mineras inclinadas
PUNTAL DE SEGURIDAD
El fenómeno de la
deformación en
estos puntales de
seguridad, va ser
mayormente por
aplastamiento
PIQUES VERTICALES E INCLINADOS
� La presión del terreno para
los primeros cientos de pies
de un pique es rara vez
importante. Los cuadros, ya
sean de madera, de acero,
anillos de concreto se
instalan para dividir la
sección transversal en
compartimientos; para tener
medios para instalar guías
para jaula o balde y para
prevenir caídas de roca en
el pique. El espaciamiento
entre cuadros es
generalmente de 5 pies de
centro a centro.
ENMADERADO CON CONJUNTOS DE CUADROS
PIQUES VERTICALES
� los cuadros son
diseñados ya sea para
cargar sobre el poste o
sobre el sombrero. Si la
carga del terreno actúa
bajo un ángulo tal que
los componentes
ejercen una fuerte
presión tanto sobre el
poste como sobre el
sombrero, entonces
será necesario un
cuadro más complejo
� PIQUES
INCLINADOS
Cuadros en desvío
Armado de cuadro en curvas
Cuadros
para
tajeos y
en
galerías
Paquetes de madera (woodpacks)
� Wood pack, son
paquetes de madera
que actúan como
pilares, reemplazando a
los pilares de roca.
Cuando los puntales de
madera no son
suficientes para
soportar el techo de
una excavación, una
alternativa de soporte
es el uso de paquetes
de madera
ContinuaciónLos tipos de sostenimiento con madera utilizados son:
• Wood pack, son paquetes de madera que actúan como pilares,
reemplazando a los pilares de roca.
• Cuadros, se utiliza para pasar zonas inestables en las galerías o stopes
cautivos, donde la potencia del mineral no supera los 3 m.
• Puntales, se utiliza en stopes. No es de uso constante.
Proceso de enmaderadoEl primer paso a ejecutar luego del disparo es eldesquinchado del techo y soltar así las rocaspeligrosas que pudieran caer sobre el personal.Luego de haber limpiado el material del disparo, elnuevo cuadro es sólidamente colocado en su lugar.Después de haber colocado el cuadro se avanzan lasinstalaciones de agua y aire para poder instalarnuevamente las perforadoras para el siguientedisparo.Obviamente este procedimiento hace más lento lavelocidad de avance, pero a menos que el terreno seamuy malo y requiera de listones de avance(Marchavantis) u otros métodos especiales, lospuntales y sombreros pueden estandarizarse yseguirse una rutina regular
Procedimiento para armar un
cuadro� Marcar el Centro de
la Labor: Identificar
los puntos de
dirección y colocar los
cordeles
suspendidos, orientar
los puntos al tope de
la labor, marcar el
centro de la labor.
Procedimiento para armar un
cuadro• Marcar los puntos de
gradiente: Colocar los
cordeles en los puntos
de gradiente y orientar
hacia el tope de la labor
Procedimiento para armar un
cuadro• Picar las Patillas:
De acuerdo a la
ubicación de los
elementos y del
comportamiento
del terreno, picar
las patillas con las
dimensiones
necesarias.
Procedimiento para armar un
cuadro• Colocar el
cuadro: Cortar
todos los
elementos de
acuerdo a las
distancias
obtenidas en el
picado de las
patillas.
Procedimiento para armar un
cuadroNivelación del cuadro:Colocados los postees y el
sombrero, colocar los
cordeles en los extremos
del sombrero. A la altura
del punto de gradiente
mediar las distancias del
poste al cordel.
Procedimiento para armar un
cuadro• Bloqueado y enrejado:
Nivelados los
elementos, bloquear en
primer lugar el
sombrero a las cajas y
luego colocar los
tirantes. Primero se debe
encribar el techo y
enrejar los hastiales