Elementos de Sostenimiento
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América) E.A.P. INGENIERÍA DE MINAS Mecánica de Rocas Aplicada a la Minería Luque Pareja César David 09160292
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS(Universidad del Perú, Decana de América)
E.A.P. INGENIERÍA DE MINAS
Mecánica de Rocas Aplicada a la Minería
Luque Pareja César David
09160292
Selección entre refuerzo y soporte
Evert Hoek (2004)
Refuerzo de roca generalmente consisten ensistemas de empernado o cables que proveen unrefuerzo a la masa rocosa aumentando la resistenciafriccional entre bloques que la componen.
Soporte consistente en cerchas de acero o concreto,shotcrete o cuadros de madera, son diseñados paraestabilizar la masa rocosa mediante el control delcolapso progresivo o deformación de la misma.
Los elementos de sostenimiento se pueden
clasificar en dos:
ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO POR REFUERZO:
SON SISTEMAS DE EMPERNADO O CABLES QUE
PROVEEN UN REFUERZO A LA MASA ROCOSA
AUMENTANDO LA RESISTENCIA FRICCIONAL ENTRE
BLOQUES QUE LA COMPONEN.
ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO POR SOPORTE:
SON DISEÑADOS PARA ESTABILIZAR LA MASA ROCOSA
MEDIANTE EL CONTROL DEL COLAPSO PROGRESIVO O
DEFORMACIÓN DE LA MISMA.
En términos simples se dice que el
refuerzo en un sistema “activo”
mientras que el soporte es uno
“pasivo”.
PERNOS DE ROCA
Los sistemas de reforzamiento con pernos de roca
minimizan las deformaciones inducidas por el peso
muerto de la roca aflojada, así como también aquellas
inducidas por la redistribución de los esfuerzos en la roca
circundante a la excavación. En general, el principio de
su funcionamiento es estabilizar los bloques rocosos y/o
las deformaciones de la superficie de la excavación,
restringiendo los desplazamientos relativos de los
bloques de roca adyacentes.
ELEMENTOS DE REFUERZO
VENTAJAS
SPLIT SETS
SWELLEX
PERNOS CORRUGADOS
PERNOS HELICOIDALES
Aumentan el tamaño efectivo de los bloques.
Forman un arco compresivo por encima de la corona.
Suspenden bloques sueltos.
TRABAJAN DENTRO DE LA ROCA
CLASIFICACIÓN DE LOS PERNOS DE ANCLAJE
SPLIT SET
DATOS TECNICOS
Tipo SS – 39
Diámetro del tubo 40 mm
Capacidad de Carga 1 – 1.5 Ton/pie
Carga de rotura 11/16,3 Ton
Peso del Split Set 1,3 Kg/m
Longitud 0.9/1,50/2,10 m
Diámetro del Taladro 36 – 37 mm
Platina 5x150x150 mm
La fricción ejercida por los
costados del perno lo
mantienen en su lugar
creando fuerzas que se
extienden radialmente.
Este proceso provee la
fuerza de fricción que
actúa previniendo el
movimiento o separación
del terreno.
Estabilizadores de Fricción (Split Sets)
Son estabilizadores de fricción, tubo de acero más
ancho que el diámetro de la perforación.
SWELLEX
No se requiere ninguna fuerzade empuje durante su inserción.La varilla es activada porinyección de agua a altapresión (aproximadamente 30MPa ó 300 bar) al interior deltubo plegado, el cual infla almismo y lo pone en contactocon las paredes del taladro,adaptándose a lasirregularidades de la superficiedel taladro, así se consigue elanclaje.
Es un perno de anclaje hecho de
un tubo soldado sobre sí y sellado
en un extremo. Se expande al
interior de la roca utilizando un
flujo de agua a alta presión
SWELLEX
Una vez expandido el tubo, se genera una tensión de contacto entre el tubo y
la pared del taladro, produciendo dos tipos de fuerzas: una presión o fuerza
radial y una fuerza de rozamiento estático en toda su longitud.
SWELLEX
DATOS TECNICOS
Tipo Pm12
Carga de rotura mínima 110 kN
Estiramiento mínimo 10%
Carga de deformación
mínima
100 kN
Presión de inflación 300 bar
DATOS TECNICOS
Tipo Pm24
Carga de rotura mínima 240 kN
Estiramiento mínimo 10%
Carga de deformación
mínima
200 kN
Presión de inflación 300 bar
DATOS TECNICOS
Tipo Pm16
Carga de rotura mínima 160 kN
Estiramiento mínimo 10%
Carga de deformación
mínima
130 kN
Presión de inflación 240 bar
DATOS TECNICOS
Tipo Mn12
Carga de rotura mínima 110 kN
Estiramiento mínimo 20%
Carga de deformación
mínima
90 kN
Presión de inflación 300 bar
PERNOS CEMENTADOS O CON RESINA
Consiste en una varilla de fierro o acero, con un
extremo biselado, que es confinado dentro del taladro
por medio de cemento o resina. El anclaje entre la
varilla y la roca es proporcionado a lo largo de la
longitud completa del elemento de refuerzo, por tres
mecanismos: adhesión química, fricción y fijación. La
eficacia de estos pernos está en función de la
adherencia entre el fierro y la roca proporcionada por el
cementante, que a su vez cumple una función de
protección contra la corrosión, aumentando la vida útil
del perno.
Pernos Corrugados
Estos pernos resisten el movimiento del terreno debido
a los puntos de contacto del enclavamiento mecánico.
La unión resina o lechada con la roca depende de las
irregularidades encontradas dentro de la perforación y
de la estructura de la roca. La instalación de estos
pernos es recomendada para el sostenimiento a largo
plazo o donde la corrosión podría ser un problema.
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.
Pernos Helicoidales
Barras laminadas en caliente con resaltes en forma de
rosca helicoidal de amplio paso. El diseño de los hilos
permite colocar una tuerca que puede rodar
longitudinalmente por los resaltes por todo la barra.
PERNOS HELICOIDALES
DATOS TECNICOS
Diámetro del Perno 22 mm
Capacidad de Carga 3 Ton/pie
Carga de Rotura 18 Ton
Deformación 15%
Peso del Perno S/P 2,6 Kg
Longitud del Perno A escoger
Diámetro del Taladro 36 mm
Es importante tener en consideración que las capacidades de carga estarán en
función directa a la calidad geomecánica de la masa rocosa donde fueron
instaladas, las características de diseño operativo [diámetros de los taladros] y las
características físicas de la Barra Helicoidal [diámetros y longitudes de Barras].
PERNOS HELICOIDALES
Propiedades Mecánicas del Perno
Helicoidal
Límite de fluencia mínimo
(52.7 Kg/mm2)
Resistencia a la tracción mínima
(70.3 Kg/mm2)
Mayor resistencia al Corte que Barra
Corrugada
Módulo de Young de 40 000 N/mm2
La Barra Helicoidal actúa en conjunto con una placa de sujeción y una tuerca de fijación
que le permiten reforzar y preservar la resistencia natural que presentan los estratos
rocosos.
La eficacia de estos pernos está en función de la adherencia
entre el fierro y la roca proporcionada por el cementante,
que a su vez cumple una función de protección contra la
corrosión, aumentando la vida útil del perno.
CARTUCHOS DE RESINA CARTUCHOS DE CEMENTO
Diámetro Longitud
28 mm 30.5 mm
Diámetro Longitud
30 mm 30.5 mm
CARTUCHO DE RESINA
Sistema para la fijación de pernos de anclaje compuesto por
una pasta de resina poliéster y catalizador. La reacción
química se produce cuando el perno gire a través de los
cartuchos insertados dentro del taladro mezclando los
componentes e iniciando el fraguado. Una vez mezclada, la
resina alcanza su resistencia compresiva más potente.
Ventajas:
Alcanza altas resistencias rápidamente.
Impide la corrosión del perno.
Anclaje rápido y eficaz.
Alto poder de fijación en la roca.
CARTUCHOS DE CEMENTO
Están diseñados para la instalación de pernos de anclaje
utilizados en el sostenimiento de terrenos. Para su aplicación
se debe remojar los cartuchos por unos minutos. Al ser
hidratados los cartuchos de cemento absorberán la cantidad
necesaria de agua para consolidar una pasta de proporciones
agua/cemento de 0.3:1.
Ventajas:
No utiliza equipos de inyección y mezclado.
Reducción de tiempos muertos en preparación y pérdidas.
Mayor resistencia que la lechada de cemento.
MONITOREO MEDIANTE PRUEBAS DE PULLTEST – ANCLAJES CONJUNTO HIDRÁULICO
Visualización del Manómetro del Conjunto Hidráulico registrando el tonelaje
soportado por la Barra Helicoidal.
Ubicación y ángulo de instalación de los elementos de sostenimiento
Espaciamiento de los elementos de sostenimiento
Otras recomendaciones;L \ E = 1,2 – 1,5 Ref. : Z.T. BienwaskiL \ E = 1,2 Roca buena, L \ E = 2 Roca fracturada Ref. : Lang, Bischoff
Utilización y acción de pernos
CONTROL DE LA INSTALACION DE PERNOS
CONTROL DE CALIDAD
Verificación de la orientación de los pernos.
Verificación de la presión de las platinas.
Verificación de la capacidad de anclaje de los pernos
mediante pruebas de arranque.
Verificación del comportamiento de la masa rocosa dela excavación reforzada con pernos.
ELEMENTOS DE SOPORTE
VENTAJAS
SHOTCRETE
GATAS MECÁNICAS
CUADROS DE MADERA
MALLA ELECTROSOLDADA
CIMBRAS METÁLICAS
Controlan desprendimientos de la superficie de la roca.
Forman una superficie más amplia para distribuir cargas.
TRABAJAN FUERA DE LA ROCA
SHOTCRETE
El principio del Shotcreteconsiste en lanzar odisparar neumáticamentepor un tubo una mezcla deconcreto a la que se añadeen la salida un aditivoacelerante que produce unendurecimiento muy velozmientras esta mezcla vaimpactando sobre lasuperficie a recubrir.
SHOTCRETE (VÍA SECA)
SHOTCRETE (VÍA HÚMEDA)
COMPONENTES DEL SHOTCRETE
Cemento
Agregados
Agua
Aditivos
Elementos de refuerzo
SHOTCRETE
Datos Técnicos Mina Orcopampa
Equipo Aliva / OCMER
Cemento Tipo 1 8 Bolsas
Arena 200 Lampadas
Agua 36 Gls
Aditivo 3.5 Gls
Fibra 30 Kg
Capacidad de Carga 250 Kg/cm2
SHOTCRETE (RELACIÓN AGUA/CEMENTO)
La menor cantidad de agua
en la mezcla, tiene un
efecto ventajoso en la
mayoría de las
propiedades del concreto,
especialmente para la
resistencia a la
compresión.
En mezclas secas se
pueden lograr resistencias
de hasta 69 MPa.
PRINCIPIO DE ACCIÓN DEL SHOTCRETE
APLICACIÓN DE SHOTCRETE
APLICACIÓN DE SHOTCRETE
APLICACIÓN DE SHOTCRETE
CONTROL DE CALIDAD DEL SHOTCRETE
Los factores que determinan la calidad del shotcrete y sobre los
cuales deben llevarse a cabo controles de calidad son: el diseño, los
materiales, el equipo de aplicación, el personal de operación, las
técnicas de aplicación, la inspección y los procedimientos de los
ensayos.
Un aspecto importante del control de calidad, es el ensayo de
propiedades físicas del shotcrete antes, durante y después de la
colocación.
Otros ensayos pueden ser requeridos como el contenido de agua,
contenido de cemento, absorción de agua, etc. La aceptación del
shotcrete deberá estar basada sobre los resultados obtenidos en los
ensayos realizados.
GATA METÁLICA
Permite sostener temporalmente o realizar un pre-soporte
en labores mineras. La ventaja de la gata mecánica es que
hace resistencia contraria a la corona que sostiene,
recuperándose una vez concluido el trabajo de
sostenimiento temporal.
Asimismo, estas gatas mecánicas pueden ser usadas en
labores en la que se va a colocar sostenimiento con pernos
y malla, pre-soportando la roca mientras es sostenida con
los elementos metálicos.
GATA METÁLICA
GATA METÁLICA
GATA METÁLICA
GATA METÁLICA
Datos Técnicos Mina Orcopampa
Marca Camlok
Modelo M6
Peso 33 Kg
Altura mínima 2.10 m
Altura máxima 3.30 m
Capacidad de Carga 12 Tn/m2
CIMBRAS METÁLICAS
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.
CIMBRAS
Características Técnicas Cimbras Metálicas
FORMIN
Límite elástico: 370 Mpa
Resistencia: 640 Mpa
Alargamiento: 18 %
TIPOS DE CIMBRAS METÁLICAS
CIMBRAS DESLIZANTES
Las cimbras deslizantes se componen de dos o
tres secciones. Para los arcos de 2 secciones,
ambas mitades deslizan uno respecto a la otra.
En el caso de 3 secciones, la sección superior se
desliza entre los elementos laterales. Los
elementos tensores se aflojan y los arcos se
deslizan y convergen; de esta manera, los
esfuerzos se aminoran en ellos y se eliminan las
deformaciones.
Sección de Cimbras Deslizante Omega
CIMBRAS RÍGIDAS
Recomendaciones de instalación
Es preferible que el soporte se instale lo antes posible, pues cualquier retraso
se traduce en aumentos de la presión sobre el techo.
Las cimbras deben estar apoyadas al piso mediante las platinas de base, a
20 cm de profundidad, y sujetas a la cimbra anterior con distanciadores de
acero, para mantener su verticalidad.
Estrecho o apretado contacto entre el contorno de la excavación y la cimbra
la cual debe distribuir la presión en todo su perímetro, a fin de desarrollar
tempranamente su capacidad de sostenimiento, antes de que las presiones
se acumulen puntualmente y deformen las cimbras antes de que esta haya
soportado en toda su capacidad.
CIMBRAS RÍGIDAS
DISEÑO DE ARCOS RÍGIDOS
DISEÑO 1: Metodología de Terzaghi: Para el cálculo de la
presión vertical del terreno.
DISEÑO 2: Metodología de Protodyakonov: Para el
cálculo de las presiones laterales del terreno.
Metodología de Terzaghi
Para el cálculo de la presión vertical del
terreno teniendo en cuenta la disposición
de los estratos y la distribución de las
cargas. Recomendable para rocas de
buena calidad, es preferible no aplicarlos
en terrenos de roca expansiva o que fluyen
plásticamente.
Metodología de Terzagui
Clasificación de Terzagui
Metodología de Terzaghi
Determinación de la Carga de la Roca
La carga que deben soportar las cimbras para cada zona
geomecánica se calcula por:
Pv = Hp x Pe
Donde:
Pe= Peso Específico (Ton/m3)
Hp= Altura de Carga (m)
Metodología de Protodyakonov
Protodyakonov clasifica los terrenos asignándoles un
factor “f” llamado coeficiente de resistencia, a partir del
cual definen las cargas de cálculo para dimensionar el
sostenimiento.
Determina el valor de “f” en función de la resistencia a la
compresión simple, el ángulo de fricción interna y la
cohesión.
Coeficiente de resistencia de Protodyakonov
Metodología de Protodyakonov
La distribución de cargas sobre la excavación para el
dimensionamiento del sostenimiento se hace suponiendo:
Presión uniforme lateral = γ.(h+0.5m)tg2(45°+φ/2)
Donde: b = Ancho de la labor
m = Altura de la excavación
f = Coeficiente de resistencia
γ = Peso específico de la roca
φ = Ángulo de rozamiento interno
B = b + 2m.tg(45-φ/2)
h = B/2f
Control de Calidad
Riguroso paralelismo de los elementos.
Control de Calidad
Control de las uniones y la instalación
Control de Calidad
Adecuada adaptación a las paredes, caso contrario los
elementos flexionarán hacia el exterior.
MALLA METÁLICA
La malla metálica principalmente es utilizada para los
siguientes tres 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; y tercero, como refuerzo
del shotcrete. Existen dos tipos de mallas: la malla
eslabonada y la malla electrosoldada.
MALLA ESLABONADA
MALLA ELECTROSOLDADA
Características Técnicas de
los Alambres para Malla
Electrosoldada
Resistencia:52.55 Kg/mm2
Fluencia: 45.92 Kg/mm2
Elongación: 6%
INSTALACIÓN DE LA MALLA
Para su instalación se debe tener en cuenta los siguientes
aspectos importantes:
Desatar los bloques sueltos del área donde se instalará la malla.
Anclar malla con pernos de roca.
Asegurar la malla con la platina del perno.
Los traslapes entre mallas serán como mínimo 20cm y deben
estar asegurados con pernos de anclaje.
Acomodar o moldear la malla a la forma de la superficie de la
roca utilizando ganchos de fierro corrugado colocados en
taladros de 0.5 m de longitud.
INSTALACIÓN DE LA MALLA
CUADROS DE MADERA
La madera es el material mas barato
que puede utilizarse. Es satisfactorio
desde el punto de vista de su
resistencia, pero su corta duraciónes la característica desfavorable.
CUADROS DE MADERA
La duración de la madera en la mina es muy variable , pues depende
de las condiciones en que trabaje, por ejemplo:
La madera seca ; dura mas .
La madera descortezada , dura mas que aquella que conserve la
corteza .
La madera “curada” ( tratada con productos químicos para evitar
su descomposición ) dura mas que la que no ha sido tratada .
La madera en una zona bien ventilada dura mas que en una zona
húmeda y caliente .
PUEDE ESTIMARSE QUE LA MADERA TIENE UNA VIDA QUE
FLUCTUA ENTRE UNO O TRES AÑOS .
CUADROS DE MADERA
Cuadros Rectos
Son usados cuando lamayor presión procede deltecho. Están compuestospor tres piezas, unsombrero y dos postes,asegurados con bloques ycuñas, en donde los postesforman un ángulo de 90°con el sombrero
CUADROS DE MADERA
Cuadros Cónicos.
Son usados cuando la mayor
presión procede de los
hastíales. La diferencia con los
cuadros rectos, solo radica en el
hecho de que en los cuadros
cónicos se reduce la longitud del
sombrero, inclinando los postes,
de tal manera de formar ángulos
de 78° a 82° respecto al piso,
quedando el cuadro de forma
trapezoidal.
ELEMENTOS AUXILIARES DE SOSTENIMIENTO CON CUADROS DE MADERA
Son alguna piezas de madera que , generalmente
complementan el trabajo de la estructura de
sostenimiento ; ya sea transmitiendo las cargas , o fijando
una pieza hasta que las presiones la sujetan
definitivamente o evitando la caída de pequeños trozos de
techo o las hastíales sobre la labor , etc.
Bloques o blocks.
Cuñas .
Encribados o “emparrillados”.
ELEMENTOS AUXILIARES DE SOSTENIMIENTO CON CUADROS DE MADERA
ELEMENTOS AUXILIARES DE SOSTENIMIENTO CON CUADROS DE MADERA
ELEMENTOS AUXILIARES DE SOSTENIMIENTO CON CUADROS DE MADERA
ELEMENTOS AUXILIARES DE SOSTENIMIENTO CON CUADROS DE MADERA
