MEDICION DE ESFUERZOS CON ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO EN LA MINA COBRIZA DOE RUN PERU S.R.L.

Chirinos Bueno, Fausto JusselinoAsistente de Geomecánica, Unidad Cobriza - Doe Run Perú S.R.L., Huancavelica, Perú.

fchirinos@pe.doerun.com, jusselinochirinos@gmail.comGómez Salinas, Jesús Roland

Coordinador de Geomecánica. Unidad Cobriza - Doe Run Perú S.R.L., Huancavelica, Perú.jgomezs@pe.doerun.com , jez4020@yahoo.es

Loayza Villasante, Víctor & Saico Olín, Carlos

Practicantes de las Areas de Geomecánica y Geología respectivamente.

ResumenLas mediciones de los esfuerzos en interior mina con instrumentos complicados y a costos elevados han hecho de que busquemos formas alternas de poder realizar estos trabajos, no tan precisos pero si prácticos, claro esta, para el Manto y la Lutita - pizarrosa.Estamos realizando pruebas con los elementos de sostenimiento, especialmente con los accesorios de los pernos de roca en áreas inestables, medianamente inestables y en nuestro “laboratorio”. Hemos podido notar que cuando un perno de roca sostiene más área o la presión excede la resistencia de la platina, la tuerca comienza a traspasarla, por nuestra parte surgió el interés de: ¿A que o con que presión la tuerca atraviesa la platina?

Palabras clave: excavaciones, sostenimiento activo, shotcrete, platina, hourglass, tensiones, esfuerzos y lajamientos.

AbstractThe measurements of the strengths at the underground mine with expensive costs and complicated instruments, obligate us to search some alternatives to realize it, practical but not precise, of course, to the mantle and the slaty – shales.We are doing test with the elements support, especially with rock bolts accessories in unstable areas, medium unstable areas and our “lab”. When a plate support more than area that it can or the stresses are excess for the plate, the nut starts to pass it and fail, now our question was:What is the press with the nut pass the plate?

Keywords: excavations, active support, shotcrete, plate, stresses, hourglass, strengths and spallings.

1. Introducción

La Mina Cobriza de Doe Run Perú, esta ubicada en el departamento de Huancavelica, provincia de Churcampa, Distrito de San Pedro de Coris, ubicándose a 366 Km. al Sur de la ciudad de la Oroya.

El Yacimiento Cobriza es un Skarn Cálcico con mineralización estratiforme de sulfuros masivos ínterbandeados con calcosilicatos emplazada en las Calizas Cobriza del Grupo Tarma. El depósito tiene una extensión de 4.5 Km. en la dirección NO, 1.5

Km. en profundidad con una potencia de 25 – 50m con un buzamiento entre 40º y 60º. En cuanto a la mineralización de mena tenemos en el Manto Cobriza, calcopirita, marmatita, bismutinita y galena-argentífera y como ganga granates-diópsido, magnetita, pirrotita, calcita, hornblenda-actinolita. Cuarzo, pirita, etc.

Desde Marzo del 2005 comenzamos con una campaña exhaustiva de sostenimiento con el personal de servicios mina colocando pernos de roca con cartuchos de cemento y resina. Los mismos que están trabajando bien a la fecha, salvo algunos lugares donde se

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observan que uno de los accesorios de sostenimiento fallan por efecto de los esfuerzos axiales al eje del perno (la platina es atravesada por la tuerca y posteriormente falla la tuerca (ver fotos 1 y 2)) y por el deterioro provocado por las mismas operaciones en mina (roces de los equipos de extracción y mantenimiento de vías, rompen las tuercas y deforman la barra helicoidal o viceversa). El mayor requerimiento de pernos lo tienen nuestras Galerías de extracción, Nv. 28 y Nv. 10, por transito tenemos la Galería del Nv. 51, las rampas de acceso que unen las Galerías antes mencionadas y algunos pilares de estas rampas.

Foto 1, Platina y tuerca fallada en hastial shotcreteado.

Foto 2, Tuerca soportando la carga del hastial shotcreteado.

2. Análisis de las causas que producen las fallas en los accesorios de sostenimiento.

Como bien se sabe un túnel (obra civil) no esta sujeto a tanta dinámica como lo está una mina salvo si esta cerca de un problema

estructural, la obra se este trabajando con un encampane mayor a 1 Km., la influencia del tipo de roca, etc., en mina como bien sabemos tenemos estos problemas además de que esta sujeto a deformación constante, liberación de tensiones esporádicas o continuas (cracking (sonidos leves), popping rock(sonidos regulares), spalling (lajamientos) y rock bursting (estallidos de roca), caídas de roca, subsidencias, etc.

Por nuestra parte iniciamos trabajos de inspección y medición en los elementos de sostenimiento así también nos hicimos algunas preguntas:

a. ¿Cuánto tiempo estuvo el accesorio trabajando?

b. ¿Cuál era la naturaleza de los esfuerzos aplicados al accesorio en el momento que se produjo la falla?

c. ¿Estuvo la pieza sometida a una sobrecarga?

d. ¿Se instalo adecuadamente el elemento de soporte?

e. ¿Hubo algunos cambios en el ambiente?

Dentro del trabajo vimos por conveniente analizar la falla de la platina ya que el perno continuaba intacto así también la tuerca, ambos ejercían un soporte, claro esta, no con la misma área de influencia, pero la tuerca continuaba soportando la carga axial del hastial, tomando en cuenta desde que se iniciaron los trabajos de empernado tenemos un 35% de la mina cubierta (accesos principales, rampas y pilares, no utilizamos empernado en los tajeos ya que los mismos se controlan con un buen arqueo del techo y si se descubre C/T se le coloca sostenimiento temporal con shotcrete) lo que nos permitiría tener un panorama más completo de que esta ocurriendo así también sectorizar con datos cuantitativos la mayor concentración de esfuerzos y definir el ¿porque? de cada zona.

Cuando la platina falla la tuerca fricciona parte de la misma, ese fue el punto de inicio de esta investigación logrando obtener un cuadro en el cual se muestra el desplazamiento de la misma con la presión y la carga que esta soporto (platina). Muchas de estas fallas fueron observadas en los pilares, en las Galerías principales de extracción y también en zonas con pizarra (en la pizarra ocurre un incremento de volumen por esponjamiento provocando un levantamiento con una carga mayor a las 8 Tn ya que en algunos tramos llega a fallar la platina con una deformación de toda la platina (tipo cúpula)), este problema lo tenemos especialmente en los hastíales hacia Caja piso,

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algunos accesos cerca a las rampas o lugares donde hubo una excavación cercana.

Paralelo a nuestro trabajo hicimos y estamos determinando la dirección de los esfuerzos en las labores (se utiliza el Criterio de Badgley o Método de las fallas conjugadas) lo que nos permitirá pronto determinar una dirección principal, la misma difiere por las condiciones estructurales del macizo rocosa, tenemos estructuras que duplican el manto o lo flexionaron dándole una posición subhorizontal por tramos y niveles.

3. Características de los materiales utilizados.

Como bien se mencionó, se usaron dos tipos de platinas y un mismo tipo de tuerca para ambos casos.

Tipo cúpula, o Norma técnica ASTM A36-96,

relacionada a las características físicas del material

o 20cm x 20 cm x 4mm. Tipo Volcán,

o Norma técnica ASTM A36, relacionada a las características físicas del material.

o 15cm x 15cm x 6mm Tuerca,

o Norma ASTM A536-84, relacionada con las características de las fundiciones esferoidales.

4. Metodología aplicada

Para este trabajo se utilizo el equipo para jalar pernos o pull tester, con una gata de 30Tn. y una carrera de pistón de 50mm aprox., simulando un hastial se utilizo plancha estructural de 24mm. del tipo T1, con un agujero pasante que simulaba la perforación hecha por la perforadora jackleg o el jumbo hidráulico (ver foto 3)

Las pruebas fueron del tipo de destructivas, se utilizaron pedazos de barra helicoidal de 60cm. Aproximadamente, las tuercas solo fueron utilizadas una vez por ensayo así también las platinas, los ejes del pull tester sufrieron deformación posterior a las pruebas realizadas, especialmente con las platinas del tipo Volcán.

Para los datos de presión de utilizo una prensa hidráulica con una presión máxima en el manómetro de 5000 psi o de 350 Kg/cm2 (ver foto 4).

Foto 3, Se aprecia el pull tester utilizado.

Foto 4, Prensa hidráulica utilizada en las pruebas.

Teniendo los datos de ambos ensayos se tuvo una visión mas amplia en relación a la deformación de las platinas, la carga y presión que soportan en una posición ideal para cualquier perno.

5. Comportamiento de los accesorios de sostenimiento.

Los esfuerzos in-situ influyen directamente en la inestabilidad de una excavación subterránea en nuestro “laboratorio” hemos podido determinar la resistencia con la que fallan dos tipos de platina este resultado nos permite captar los esfuerzos mas próximos que influyen en la excavación de nuestro macizo y así poder tomar criterios más reales en la elección de la combinación, espaciamiento de malla de empernado, etc.

Tenemos que el sostenimiento realizado con las barras helicoidales es bueno en nuestras labores, pero al tener el problema con las platinas decidimos cambiar dicho accesorios por uno más pequeño, con un

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agujero pasante cercano al diámetro de la barra helicoidal de 22mm. de diámetro y un espesor mayor (6 mm., con estas mismas pruebas se construyo una tabla para correlacionar la Carga – Deformación con la forma de final de la platina).

La idea de mezclar los accesorios surgió cuando en una de nuestras rampas principales pudimos apreciar como la platina tipo volcán en un perno de barra corrugada llego a quedar plana y otras quedaron con el cono invertido ya que la tuerca no permitía que falle por el exceso de carga, en otros casos se vio como la tuerca provoco la falla de la rosca ya que fue limada y por ende ya no había soporte de la cara libre del lugar sostenido (ver fotos 5 y 6)

Foto 5, Platina tipo volcán en barra corrugada

Foto 6, Platina tipo volcán en pilar fallado

Con las barras helicoidales tuvimos el mismo problema pero las tuercas no fallaron, las platinas si; las tuercas continuaban ejerciendo un soporte pero, de un área.

Cuando se cambio a las platinas tipo volcán el comportamiento es diferente ya que con la tuerca de la barra helicoidal tienen un mejor desempeño ya que se aprovecha al máximo la capacidad de carga de todo el elemento de sostenimiento en conjunto (perno, tuerca y platina).

Foto 7 Platina tipo cúpula fallada con fisura en el borde interior

Cuando hicimos las pruebas con la gata obtuvimos valores promedio de carga de las platinas tipo cúpula de hasta 10 Tn., pero en las pruebas con la platina tipo volcán hubo dos valores máximos, el primero llego a 16 Tn. posteriormente hubo una tendencia negativa ya que la placa empezó a deformarse y tuvo una recuperación de soporte de carga medida hasta un valor de 25 Tn. (no se aplico una mayor carga ya que pudimos tener proyección de material por parte de las tuercas en las pruebas que se realizaron, este ensayo no fue destructivo, pero las tuercas no se reutilizaron para las demás pruebas). En ambas pruebas la tuerca no fallo resistió la carga aplicada.

Foto 8, Platina tipo volcán previo y post trabajo

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En la platina tipo cúpula al pasar la tuerca deformo la superficie de apoyo y formo fracturas radiales en el borde interior de apoyo (Ver fotos 7 y 9).

En la platina tipo volcán después de ser sometida a la carga se pudo apreciar que tenía fisuras en el borde interior pero continuaba ejerciendo un soporte.

En ambos casos cuando la barra esta tensionada en el terreno, el bulbo cónico de presiones estará apoyado en la platina, con la platina tipo cúpula esta área se mantendrá homogénea hasta que falle, pero solo en el caso de la platina tipo volcán este apoyo diminuirá ya que el área de apoyo en el lugar de colocación ira disminuyendo con la deformación (ver foto 8 y 10)

Foto 9, Platina tipo cúpula post y previo al trabajo

6. Características de la deformación

Se construyó una grafica mostrando los estados de deformación de cada platina, además se hizo de forma comparativa y estos gráficos también se observaran en las curvas propuestas carga – desplazamiento y presión desplazamiento, en la foto 10 se aprecia una platina del tipo volcán en el estado máximo de deformación realizados dentro de nuestro trabajo (ver gráfico 1 y 2 del apéndice), a continuación se detallan los gráficos propuestos.

Grafica 1.1 se muestra el estado inicial de la deformación (O Tn de carga, Presión ejercida igual a 0), se puede clasificar como una zona con deformaciones mínimas.

Grafica 1.2, en la platina tipo cúpula ya se observa un ligero encajamiento en su base, además si se golpea la platina esta tiene un sonido agudo (10 Tn de carga, Presión ejercida igual a 50 Kg/cm2), de igual manera en la platina tipo volcán se aprecia el asentamiento de la platina en el hastial, de igual manera presenta un sonido agudo (16 Tn de carga, Presión ejercida igual a 80 Kg/cm2).

Grafica 1.3, se aprecia que en la platina esta a punto de fallar, la parte

mas alta de la cúpula se alinea con la base hexagonal de la tuerca se alinea (8,5 Tn de carga, Presión ejercida igual a 17 Kg/cm2), en la platina tipo volcán la platina se horizontaliza disminuyendo su efecto de soporte (11,6 Tn de carga, Presión ejercida igual a 58 Kg/cm2 ).

Grafica 1.4, la platina tipo cúpula falla, teniendo que la tuerca atraviesa totalmente la platina, el perno y la tuerca continúan trabajando, la platina tipo volcán se recupera mostrando en la curva una tendencia positiva con una pendiente similar a la primera curva que se formo antes de que disminuyera su efecto de soporte (18 Tn de carga, Presión ejercida igual a 90 Kg/cm2 )

En la foto 10 se muestra el estadio final de uno de nuestros ensayos, la carga ejercida en este punto fue de 24 Tn y la presión fue de 120 Kg/cm2

Otro de los planteamientos que nos hicimos dentro de nuestros trabajos era el utilizar barras corrugadas de 19 mm. para realizar este proyecto, pero dada la ductibilidad de la misma (grado 60) la platina y el perno sufrirían deformación simultánea, lo que ameritaría otro trabajo de investigación, ya que este sostenimiento serviría para excavaciones en macizos rocosos con deformaciones mayores, en cambio la barra helicoidal no sufre esta deformación por el grado que tiene (75).

7. Recomendaciones y conclusiones

Este proyecto se realizo en un estado ideal del asentamiento de las platinas.

El grafico no es definitivo ya que puede sufrir variaciones con un incremento mayor de ensayos, esto disminuiría la desviación estándar y se ajustaría más las curvas.

Con las curvas propuestas se puede realizar un zoneamiento de las labores en relación a la carga y presión ejercidas en determinados puntos.

Se pueden realizar mediciones en el tiempo para poder determinar una curva tiempo vs. Presión.

El cambio del tipo de platinas exige un incremento en el costo del sostenimiento, pero para lugares con alta presencia de deformaciones vale la pena.

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En las áreas donde la platina tipo cúpula haya fallado, estas pueden ser remplazadas por platinas tipo volcán.

En ninguna de las pruebas realizadas las tuercas fallaron, pero como fueron sometidas a sobrecarga se descartaron.

La platina tipo cúpula puede mejorar su desempeño si se le reduce el diámetro del agujero pasante.

En zonas donde la pizarra sufre esponjamiento nos ayudara a absorber parte del mismo y definitivamente estará combinado con malla eslabona, ya que la malla electrosoldada tiene un comportamiento frágil.

Si se quiere incrementar ligeramente la capacidad de carga de la platina tipo cúpula, la tuerca no debe colocarse concentricamente en su eje, podemos apoyarlo ligeramente hacia un lado.

La barra corrugada realiza un trabajo similar con sus accesorios, pero tiende a fallar por la rosca, pero se puede doblar ligeramente la punta del perno e incrementara su capacidad de carga.

La datos que se muestran en las curvas, pueden ser utilizadas en el software UNWEDGE, ya que este tiene una opción para colocar la carga que soporta la platina (los cambios en el F.S. se incrementan con la colocación de este dato que es real).

Este control puede utilizarse en otras minas que utilicen el mismo tipo de sostenimiento.

Se debe considerar la buena adherencia de los pernos al momento de la evaluación.

8. Agradecimiento

Agradecemos a nuestra empresa por habernos permitido realizar este proyecto ya que LA SEGURIDAD ES UN VALOR y el valor agregado de esta publicación influirá en el buen desempeño de nuestras labores en mina.

9. Bibliografía Nerio H. Robles Espinoza “Excavación

y sostenimiento de túneles en roca” primera (1994.)

American Concrete Institute “Diseño de Túneles” (1993)

E. Hoek & E.T. Brown “Excavaciones subterráneas en roca” primera edición

Grafico 1, se muestra la comparación entre los modos de falla de las platinas

Foto 10, Platina tipo volcán mostrando la deformación

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10. APÉNDICE

Gráfico 1, Curva de Carga – Deformación y Carga presión propuestas para el control en las labores con sostenimiento por adherencia, las pruebas se realizaron en las instalaciones de la mina Cobriza – Huancavelica.

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Gráfico 2, Curvas de Carga – Deformación propuesto por Stillborg, las pruebas se realizaron en la Universidad de Luleå en Suecia.

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