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MINISTERIO DE INDUSTRIAY ENERGIA SECRETARIA DE LA ENERGIAY RECURSOS MINERALES PROGRAMA DE GEOTECNIA MINERA (la FASE) BANCO PARA ENSAYOS DE SOSTENIMIENTOS • INSTITUTO GEOLOGICO Y MINERO DE ESPAÑA 0 09 7
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MINISTERIO DE INDUSTRIAY ENERGIASECRETARIA DE LA ENERGIAY RECURSOS MINERALES
PROGRAMA DE GEOTECNIA MINERA(la FASE)
BANCO PARA ENSAYOS DE SOSTENIMIENTOS
•
INSTITUTO GEOLOGICO Y MINERO DE ESPAÑA
0097
Este estudio ha sido realizado para la DIVISIONDE GEOLOGIA APLICADA A LA MINERIA del INSTITUTO GEOLOGICOY MINERO DE ESPAÑA por GEOCONTROL, S.A. y han intervenidoen su ejecución los siguientes técnicos:
Por el I.G.M.E.
* Jose Mi Pernia LLeraIngeniero de Minas
Por GEOCONTROL, S.A.
* Benjamín Celada TamamesDr. Ingeniero de Minas
Ha contribuido a la realización de este estudioEmilio de la Casa Guerrero , Ingeniero de Caminos de TECNICASDE ENTIBACION, S.A. (TEDESA).
PROGRAMA DE GEOTECNIA MINERA(1! FASE)
BANCO PARA ENSAYOS DE SOSTENIMIENTO
PROGRAMA DE GEOTECNIA MINERA(1' FASE)
BANCO PARA ENSAYOS DE SOSTENIMIENTO
1.- INTRODUCCION.
2.- ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO DE GALERIAS.
2.1. Cuadros metálicos.
2.2. Bufones.
2.3. Hormigón proyectado.
3.- ENSAYOS SOBRE ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO.
3.1. Ensayo de cuadros metálicos.
3.1.1. Ensayos con cargas radiales.
3.1.1.1 . Reacciones sobre los cuadros.3.1.1.1. 1. Cilindros hidráulicos.3.1.1.1 .2. Apoyos rigidos.3.1.1.1 .3. Apoyos elásticos.
3.1.1.2. Fuerzas de rozamiento.
3.1.1.3. Apoyo de los pies derechos.
3.1.1.4. Atresillonado.
3.1.2. Ensayos con cargas axiales.
3.2. Ensayo de bufones.
3.2.1. Ensayos de resistencia.
3.2.1.1. Resistencia del perno.
3.2.1.2 . Adherencia.
3.2.2. Condiciones de colocación.
3.2.2.1. Determinación de las condiciones óptimas de colocación.
3.2.2.2 . Detección de defectos de anclaje.
3.3. Ensayos de hormigón proyectado.
4.- ENSAYOS REALIZADOS EN BANCOS DE ENSAYOS.
4.1. BERGBAU FORSCHUNG (R.F.A.).
4.2. STAHLVERFORMUN E.V. (R.F.A.).
4.3. E.N.S. de Minas de París (FRANCIA).
4.4. MINING RESEARCH AND DEVELOPMENT ESTABLISHMEN (U.K.).
4.5. INSTITUT NATIONAL DES INDUSTRIES EXTRACTIVES (BELGICA).
S.- NORMATIVA DE APOYO.
5.1. Normativa existente.
5.2. Normativa a desarrollar.
6.- ANTEPROYECTO DE UN BANCO DE ENSAYO DE CUADROS DE SOSTE-
NIMIENTO.
6.1. Justificación.6.2. Concepción del banco de ensayos.
6.2.1. Concepto y dimensiones.6.2.2. Sistemas de carga.6.2.3. Sistema de medida.6.2.4. Sistema de adquisición de la Información.
6.3. Presupuesto.
7.- CONCLUSIONES.
8.- BIBLIOGRAFIA.
PROGRAMA DE GEOTECNIA MINERA(12 FASE)
BANCO PARA ENSAYOS DE SOSTENIMIENTO
1.- INTRODUCCION .
La actividad minera se vé enfrentada con numerosas dificultades que, en
general , se ven incrementadas con el aumento de la profundidad de las explotaciones.
Una consecuencia importante derivada de esta situación radica en la
necesidad de colocar elementos de sostenimiento para garantizar la estabilidad de las
estructuras subterráneas en las que se desarrolla la actividad minera y que , en líneas
generales, están constituidas por los talleres de explotación , las galerías asociadas y las
obras de infraestructura.
Esta misma necesidad se produce también en la mayor parte de las obras
subterráneas en las cuales , ya sea durante su construcción ó para garantizar una
utilización segura en la fase de explotación , es necesario colocar algún tipo de
sostenimiento.
Centrándose en el área de las obras subterráneas de ámbito minero,
esencialmente galerías de infraestructura y galerías de explotación; sería muy interesante
que en cada mina se pudiera responder con una precisión operativa a las siguientes
preguntas:
1
- En qué tipo de galerías hay que colocar sostenimiento?
- Qué tipo de sostenimiento es el más conveniente y en qué cantidad debe ser
colocado?
- Cómo debe colocarse el sostenimiento?
Es evidente que ofrecer una respuesta precisa a estas preguntas para el
conjunto de las minas españolas es una labor ardua y difícil; pero no es menos evidente
que en los últimos veinte años se han hecho importantes progresos en el dimensionado
del sostenimiento , aplicado tanto a las excavaciones mineras como a las obras subte-
rráneas, de forma que actualmente se pueden dar soluciones concretas y operativas a
problemas que, hasta hace pocos años , se pensaba no tenían una solución económica y
segura.
No hay que olvidar que las ausencias ó deficiencias de sostenimiento en
las galerías de mina tienen una contribución apreciable a la siniestrabilidad de la minería
española que , lógicamente, debe mejorar con la aplicación de técnicas adecuadas y la
realización de las inversiones necesarias.
El Instituto Geológico y Minero de España como organismo público de
investigación cuya actividad se centra en la Minería y en el Medio Natural ha decidido
estudiar la posibilidad de construir instalaciones para el ensayo de elementos de
sostenimiento , en línea con los principales centros de investigación minera de la C.E.E.,
con el fín de verificar la calidad de los elementos utilizados y disponer de instrumentos
de investigación que permitan alcanzar innovaciones tecnológicas de aplicación inmediata
en la industria minera.
En este orden de ideas en 1.983 el instituto Geológico y Minero de
España encargó a la Asociación de Investigación Tecnológica de Equipos Mineros
(AITEMIN ), que contó con la colaboración de GEOCONTROL, S.A. como socio de
AITEMIN, la realización del PROYECTO SOBRE LA VIABILIDAD DE
IMPLANTACION EN ESPAÑA DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA ELEMENTOS
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DE SOSTENIMIENTO DE TAJO. En este proyecto se hacía un análisis muydocumentado de los sostenimientos a utilizar en los tajos de explotación a nivel mundial
y específicamente en España. Se analizaba la normativa aplicable para el control de estoselementos de sostenimiento y se hacía una propuesta concreta para la construcción, porparte del IGME, de una banco de ensayos de elementos de sostenimiento de tajos.
En coherencia con lo anteriormente expuesto el IGME, en 1.986, encargó
a GEOCONTROL, S.A. la realización de un estudio previo , dentro del PROGRAMA DEGEOTECNIA MINERA, sobre el tipo de ensayos que podrían realizarse sobre lossostenimientos de galerías que se utilizan habitualmente en España y sobre lascaracterísticas que deberían reunir los aparatos e instalaciones para realizarlos.
En este documento se expone el resultado de los trabajos realizados que sehan centrado en los siguientes aspectos:
* Elementos de sostenimiento.
Ensayos a realizar.
Instalaciones existentes en Europa.
* Normativa de apoyo.
' Características de los aparatos de ensayo.
2.- ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO DE GALERIAS.
Los elementos de sostenimiento más utilizados en galerías son los
siguientes:
' Cuadros metálicos.' Bulones.' Hormigón proyectado.
' Madera.
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Por lo que se refiere al último de estos elementos, la madera , hay que
indicar que su utilización como elemento de sostenimiento en galerías está en franca
recesión y prácticamente restringido a explotaciones de pequeña dimensión que tienen
poca incidencia en el conjunto de la actividad minera española . A pesar de esto no
debiera olvidarse dar un tratamiento adecuado a la madera como elemento de
sostenimiento en minería ya que su utilización como elemento de sostenimiento en tajos
de explotación es todavía muy intensa en los yacimientos de capas inclinadas que se
explotan en España.
Mención especial debe darse a las llaves de madera que se utilizan
profusamente en los talleres de explotación de capas poco inclinadas , como elemento de
proyección de las guias ante los efectos dinámicos de los tajos.
En cualquier caso los ensayos a realizar con las piezas de madera
utilizados como sostenimiento en galerías , que deben trabajar a compresión y flexión, y
las utilizadas en la construcción de llaves, que deben trabajar a aplastamiento, deben
realizarse en las prensas utilizadas para los ensayos de sostenimiento para tajos, por lo
que se salen del ámbito de este proyecto.
En los apartados siguientes se exponen las características más relevantes
que definen la utilización de cuadros metálicos, bulones y hormigón proyectado en la
minería española.
2.1. Cuadros metálicos .
Mayoritariamente se utilizan en España cuadros metálicos fabricados con
perfil tipo TH, Figura N4 1 , que presentan la posibilidad de aceptar reducciones
importantes en la sección excavada al permitir el deslizamiento entre sí de las distintas
piezas, normalmente cuatro , que componen un cuadro. Desde el punto de vista
estructural los perfiles TH presentan también la ventaja de ofrecer unos momentos resis-
tentes , Wx, Wy similares, lo cuál se traduce en. una buena aptitud para aceptar esfuerzos
4
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31
1 111
FIGURA N4 1. PERFILES Y UNIONES DE LOS CUADROS TH.
longitudinales según el eje de las galerías. Estos perfiles fueron comercializados a partirde 1.932.
Puede estimarse que los cuadros deslizantes suponen del orden del 95% delos cuadros utilizados como elementos de sostenimiento. Anualmente se consumen enEspaña unas 23 .000 toneladas de perfil tipo TH lo cuál supone un importe de unos 1.840M Pts. ya que el precio unitario es de unas 80 Pts/Kg.
En España se laminan perfiles de 16,5 ; 21, 29 y 36 Kg/m. y de ellos elmás utilizado es de 21 Kg/m. Por lo que se refiere a las secciones existe una granvariación pero la más utilizada , considerando el conjunto de todas las minas españolas, esla de 9 m2 útiles.
De acuerdo con todo lo anterior se puede indicar que en España secolocan del orden de 110.000 cuadros metálicos , de los cuales el 80% se utilizan engalerías mineras , y el 20% aproximadamente en obras subterráneas.
En general los cuadros metálicos constituyen el único tipo desostenimiento utilizado en las galerías en capa de las minas subterráneas de carbón,excepto en la cuenca de EL BIERZO en donde, aunque su utilización es mayoritaria,también se utiliza el bulonaje.
En las galerías de infraestructura se colocan también mayoritariamente enla Cuenca Central Asturiana pero en otras cuencas el sostenimiento se realiza mediantebulonaje en proporciones apreciables.
En la minería de la potasa y metálica la utilización de los cuadrosmetálicos es prácticamente nula.
En general el mayor inconveniente que hay que achacar a la utilización delos cuadros metálicos radica en la dificultad de mecanizar su utilización lo cuál eleva
notablemente los costes si se quiere que su colocación sea adecuada. La existencia de
sobreexcavaciones , muy frecuentes en el avance con explosivos en secciones pequeñas,
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incide muy negativamente sobre el comportamiento de este tipo de sostenimientos quesoporta muy mal las cargas concentradas.
Como resúmen puede afirmarse que los cuadros metálicos deslizantesconstituyen un sostenimiento bien aceptado, subjetivamente seguro pero que algunasveces no tiene un comportamiento correcto debido a pareciables defectos de utilización.
2.2. Bulones.
El bulonaje se empezó a utilizar intensivamente como elemento. de
sostenimiento a partir de los años 50 y sobre todo su uso se generalizó con la aparición
de los pernos de anclaje repartido con resina al final de la década de los 60.
El campo habitual de aplicación del bulonaje se centra en la minería
metálica y en las explotaciones sedimentarias subhorizontales . Dado que este tipo de
minería es minoritario en España esto explica que, actualmente , el 80% de los bulones
que se colocan en España se utilicen en obras subterráneas; mientras que sólo el 20% se
emplea como sostenimiento de galería de mina.
Fundamentalmente los bulones utilizados en España como elementos de
sostenimiento son del tipo de anclaje repartido , utilizando como elemento de unión entre
la roca y el perno un mortero de resina o de cemento.
Se puede afirmar que en España se utilizan al año 1 .300.000 cargas de
anclaje con un valor aproximado de unos 150 millones de pesetas y que la longitud
media de los pernos colocados es de 2,5 m. En general como sostenimiento de galerías se
utilizan pernos con una longitud inferior a los 2 m.; mientras que en obras subterráneas
la longitud de los pernos utilizados está comprendida entre 3 y 5 m.
El bulonaje es un sostenimiento que presenta una eficacia muy superior a
la de los cuadros metálicos debido esencialmente a que su interacción con el macizo
rocoso es mucho más fácil de conseguir que en el caso de los cuadros metálicos. El
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bulonaje presenta también las ventajas de lograr muy fácilmente una mecanización totalen su mecanización lo cuál posibilita una reducción importante de costes.
Sin embargo la experiencia demuestra que, al menos inicialmente, elbulonaje es aceptado con muchos reparos por los mineros tradicionales dando laimpresión de ofrecer una inseguridad subjetiva, que en la mayor parte de los casos no esreal; pero exige adoptar una serie de medidas de control que parecen innecesarias si seutiliza un sostenimiento tradicional a base de cuadros metálicos.
2.3. Hormigón proyectado .
El hormigón proyectado , a veces mal llamado gunita, es un hormigón enel que el tamaño del árido se limita normalmente a 15-20 mm. de diámetro que se colocalanzándolo por medio de aire comprimido o impulsándolo mediante una bomba depistones.
Las ventajas de este elemento de sostenimiento radican en el excelentecontacto que se consigue entre el terreno y el sostenimiento , en la alta compacidad que selogra y en la facilidad para conseguir sostenimientos de alta resistencia.
La utilización del hormigón proyectado ha estado asociada a la utilizacióndel bulonaje, sobre todo el de anclaje repartido , y por ello sólo se ha extendido en losúltimos veinte años.
El hormigón proyectado , en razón de la elevada rigidez que se alcanza alfinalizar el proceso de fraguado, no se utiliza como sostenimiento en las galerías en capadebido a las importantes deformaciones que éstas deben aceptar.
En España se ha utilizado intensamente el hormigón proyectado en elsostenimiento de las galerías de infraestructura de Hulleras de Sabero y Anexas, S.A., enla cuenca Este de León , así como en la de Ariño , ENDESA y SAMCA. En la Cuenca
Central Asturiana se ha utilizado en Minas de Figaredo, S.A.
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En una buena parte de las obras subterráneas que exigen sostenimiento seutiliza también el hormigón proyectado, debido a que a las ventajas señaladas se une lafacilidad de recrecer el espesor de hormigón proyectado.
3.- ENSAYOS SOBRE ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO.
En esencia los trabajos sobre los elementos de sostenimiento buscan como
mínimo obtener datos fiables sobre la resistencia que puede ofrecer el sostenimiento
ensayado . En los ensayos más completos se miden las deformaciones del sostenimiento
durante el proceso de carga con lo cuál se puede construir la curva característica del
sostenimiento.
En los apartados siguientes se exponen brevemente los ensayos
habitualmente realizados sobre los elementos de sostenimiento más usuales.
3.1. Ensayo de cuadros metálicos .
El ensayo de cuadros metálicos de sostenimiento presenta grandes
dificultades para poderlo alcanzar en la práctica unas condiciones que tengan una cierta
correspondencia con la realidad debido a las siguientes razones:
a) En las condiciones reales un cuadro metálico está unido por medio de tresillones a los
contiguos; de alguna manera está sometido a un estado tridimensional que no se
reproduce en la realidad ya que en todos los bancos de ensayo solo se carga un cuadro
cada vez.
b) En general se desconoce el estado de fuerzas que actúa sobre el cuadro cuando éste
está colocado . Habitualmente se intenta reproducir en el cuadro una deformada que
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coincida con la observada en la realidad y a part ir de ahí aceptar que las cargasexistentes coinciden con las que se ejercerían en la realidad.
c) Resulta muy difícil reproducir las características , posición y rigidez de los puntos de
aplicación de las fuerzas sobre el cuadro.
3.1.1. Ensayos con cargas radiales .
A pesar de estas dificultades en los paises con tecnología minera más
avanzada existen bancos de ensayo para cuadros metálicos, según el esquema genérico
que se presenta en la Figura Na 2, que están siendo utilizados desde hace más de 30
años . A partir de las conclusiones obtenidas, según la información bibliográfica de que
se dispone, las principales cuestiones que se plantean al realizar un ensayo sobre cuadros
metálicos , son las que se exponen a continuación.
3.1.1.1. Reacciones sobre los cuadros .
En el ensayo de un cuadro metálico, la fuerza activa aplicada suele ser
fija y sólo es preciso reproducir características mecánicas realistas para la movilización
de las fuerzas pasivas que se generan en el cuadro ensayado . La Resistencia de
Materiales demuestra que para caracterizar las reacciones de apoyo es suficiente definir
correctamente su rigidez ó, de una forma más general, definiendo la curva fuerza-
deformación. Inversamente se puede afirmar que las reacciones de apoyo movilizadas
alrededor del cuadro serán realistas si se ha simulado correctamente la rigidez de los
puntos de contacto cuadro-terreno que existen en la realidad.
En los apartados siguientes se exponen las formas diversas en que se
simulan las rigideces de los puntos de contacto según las experiencias habidas en los
Laboratorios de Ensayo.
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Cilindroactivo
Referencia local
y xCilindro
deZ reaccion
Referencia global
x
Apoyo del piedel cuadro
Reacción deapoyo
FIGURA N4 2. ESQUEMA DE UN ENSAYO DE CUADRO METALICO.
3.1.1.1 . 1. Cilindros hidráulicos .
Si se colocan varios cilindros hidráulicos en el perímetro del cuadro aensayar se puede simular cualquier estado final de deformación del cuadro si se disponede un sistema hidráulico de presión servoasistido que regule la fuerza ejercida por loscilindros.
El problema que plantea la utilización de cilindros hidráulicos activos
radica en conocer qué relación tiene la presión medida en el circuito hidráulico de los
cilindros con el equilibrio de sistema.
Un sistema cerrado cilindro - bomba es teóricamente incomprensible; si
esto fuera real y se repartieran los cilindros uniformemente en el perímetro del cuadro,
la presión del circuito hidráulico será el reflejo de la fuerza movilizada por un apoyo de
rigidez infinita.
En la realidad ningún sistema hidráulico cilindro-bomba es
incomprensible y por lo tanto a cualquier sistema hidráulico se le puede asociar una
curva de respuesta pasiva que se opone al desplazamiento del piston . La lectura de las
presiones hidráulicas proporciona el valor de la reacción de apoyo y en estos casos es
necesario efectuar mediciones del desplazamiento de los pistones de los cilindros.
3.1.1.1 .2. Apoyos ríaldos.
En muchas prensas de ensayo se tiene la posibilidad de colocar unos
apoyos contra el cuadro a ensayar que tienen una rigidez prácticamente infinita.
El problema que plantea esta solución es que los apoyos del cuadro
cuando están colocados en una galería no tienen nunca un apoyo totalmente rígido, con
lo cuál esta solución tiene poco sentido real.
10
3.1.1.1.3. Apoyos elásticos .
Una solución que parece muy aceptable es utilizar apoyos rígidos en laprensa de ensayo pero intercalando entre el cuadro y el apoyo un material elástico,
normalmente madera o plástico, que ofrece el terreno.
3.1.1.2. Fuerzas de rozamiento .
Es evidente que las fuerzas de rozamiento entre los elementos de
guarnecido del cuadro, madera o parrillas metálicas , y el terreno tienen un cierto efecto
sobre el estado de equilibrio del cuadro . Sin embargo dado que , como ya se ha indicado
en el apartado 3.1., los cuadros se ensayan individualmente es muy dificil reproducir esta
situación durante el ensayo. La única vía que puede seguirse es la de utilizar apoyos
elásticos que reproduzcan las fuerzas de rozamiento adecuadas.
3.1.1.3 . Apoyo de los pies derechos.
Las condiciones de apoyo de los pies derechos de un cuadro metálico
colocado en una galería de mina son muy versátiles y suelen ser variables en el tiempo
por efecto de la degradación de la roca de apoyo ante la presencia de agua.
Dado que las características de los apoyos del cuadro durante el ensayo
tienen una importancia primordial en el equilibrio del cuadro es absolutamente
imprescindible reproducir las condiciones reales colocandos unos apoyos elásticos de la
rigidez adecuada.
3.1.1.4. Atresillonado .
Frecuentemente en las galerías sostenidas con cuadros metálicos se observa
que los perfiles TH al deformarse se retuercen y para combatir este fenómeno se colocan
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unos tresillones metálicos, que unen longitudinalmente dos cuadros contiguos, paraintentar dar al conjunto la rigidez adecuada.
Este fenómeno se ha asociado muchas veces al agotamiento del perfil delcuadro por pandeo; pero si se realizan los cálculos necesarios con las cargas quenormalmente soportan los cuadros se comprueba que estas cargas no suelen alcanzar elvalor de la carga crítica de EULER. Lo más probable es que este fenómeno se deba a
dos circunstancias diferentes:
* El estado de carga sobre el cuadro no es plano . En este caso existe una componente
longitudinal que hace trabajar al cuadro a compresión y flexión agotando su resistencia.
* El cuadro metálico no está colocado en un plano vertical o simplemente el cuadro no es
Alano . Esto último puede producirse por un defecto de fabricación , muy improbable, de
colocación del cuadro ó porque éste haya sido recuperado y mal enderezado. Esta
situación produce reacciones transversales en el cuadro que activan su agotamiento.
En cualquier caso el efecto de los tresillones , que en muchos casos es
importante, es prácticamente imposible de reproducirlo en una prensa normal ya que
para ello se necesitaría una tridimensional con objeto de poder ensayar unos cuadros
atresillonados.
3.1.2. Ensayos con cargas axiales .
Los cuadros metálicos deslizantes , que como ya se ha indicado tienen la
posibilidad de ofrecer importantes reducciones de su sección al deslizar los perfiles que
los componen , deben la mayor parte de su eficacia al correcto funcionamiento de las
grapas de unión de las distintas piezas del cuadro.
El funcionamiento de las piezas de unión puede comprobarse sometiendo
a los perfiles a cargas axiales hasta que se produzca el deslizamiento . El IGME, Pernía
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et alt . 1.987, ha realizado una ámplia campaña de ensayos sobre uniones de perfiles THen tramos rectos, Figura Ns 3, que han permitido establecer el tipo de uniones másadecuado en este tipo de cuadros . Estos ensayos , debido a que se trabaja con perfilesrectos, se pueden hacer en un banco para ensayo de sostenimiento de tajos.
No osbtante lo anterior hay que señalar que casi siempre las uniones entrelos perfiles TH están situados en un tramo curvo, razón por la cuál un banco paraensayar específicamente cuadros metálicos sería de gran utilidad , al poder ensayar lasuniones en una situación más próxima a la realidad.
3.2. Ensayo de bulones .
Los bulones presentan una diferencia fundamental respecto a los cuadros
metálicos , por lo que se refiere a los ensayos de comportamiento , que radica en la
posibilidad de hacer ensayos "in situ" sin gran dificultad. No obstante lo anterior hay
ensayos específicos sobre el comportamiento del bulonaje que deben realizarse
exclusivamente en laboratorio y también ensayos "in situ" deben realizarse en laboratorio
sobre todo cuando se trata de poner a punto nuevos tipos de anclaje.
En los apartados siguientes se describen brevemente los ensayos más
característicos que se pueden hacer sobre los bulones utilizados como elementos de
sostenimiento.
3.2.1. Ensayos de resistencia .
Al igual que sucede con los cuadros metálicos en el caso de los bulones
utilizados como elementos de sostenimiento la cuestión más importante radica en conocer
cuál es la capacidad resistente de los bulones.
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FIGURA Ns 3. RESULTADO DEL ENSAYO DE UNIONES TH.
1
Sin embargo, a diferencia de lo que sucede con los cuadros metálicos, enel caso de los bulones existen dos tipos diferentes de posible agotamiento de la fuerzaaportada como sostenimiento:
* Rotura de la barra de acero.
* Deslizamiento de la barra de acero en su contacto con el mortero de anclaje.
Estas dos posibilidades dan lugar a sendos ensayos de resistencia que
denominamos de resistencia del perno y de adherencia. Ambos ensayos se realizan some-
tiendo al extremo libre del perno a una fuerza F que , tal como se ilustra en la Figura N°
4, genera una tensión de adherencia aA que actúa en la interfaz acero-mortero y otra
tensión axial ap que debe ser exclusivamente soportada por la barra de acero.
En los apartados siguientes se exponen las condiciones habituales para
realizar estos ensayos.
3.2.1.1. Resistencia del perno .
Si F es la fuerza ejercida en el extremo libre y D su diámetro , la tensión
axial, aA, sobre el perno está dada por.
4.Fap = (1)
l1.D2
La realización práctica de este ensayo , que está normalizado por la
Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas, no ofrece ninguna dificultad y
frecuentemente se recurre a un equipo hidráulico manual que puede utilizarse "in situ"
sin grandes problemas.
14
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F
FIG.4 - TENSIONES DE ADHERENCIA Y AXIAL
La práctica habitual en España se concreta en la realización de ensayos nodestructivos sobre pernos colocados "in situ"; para ello se suele someter al perno a unafuerza que aproximadamente suponga el 50% de la fuerza necesaria para la rotura. En elcaso concreto de pernos de 25 mm. de diámetro, en España se suele aplicar una fuerzade 15 t.
Al realizar estos ensayos hay que asegurarse de que no se produzca eldeslizamiento del perno sobre el mortero de anclaje para lo cuál, en terrenos normales,basta que la longitud del perno a ensayar sea mayor que 30 veces su diámetro . Para unperno de 25 mm. la longitud mínima requerida para hacer un ensayo de resistencia seríade 75 cm., que suele ser superada en casi todas las aplicaciones prácticas.
3.3.1.2. Adherencia .
La máxima tensión de adherencia , vA, que se genera en un perno deanclaje repartido cuando se ejerce una fuerza F en su extremo libre está dada por laexpresión:
F
aA = (2)
II.D.L
donde:
D - diámetro del perno.
L - longitud anclaje del perno.
Para determinar la adherencia perno-mortero de anclaje es necesario
realizar un ensayo de tracción sobre un perno colocado cuidando que no se produzca un
agotamiento de la sección del perno debido a la tensión axial antes descrita.
15
1
A partir de las expresiones ( 1) y (2) al igualar las fuerzas que se
contrarrestan por la resistencia a tracción del perno y por la adherencia entre el mortero
y el perno , se tiene que:
il . ap. D2
n.D.L.aA (3)4
es decir, la longitud del perno que hace equilibrar la adherencia y la resistencia de éste a
atracción vale:
ap.D
L (4)
4.aA
considerando que aA = 4 MPa y suponiendo que para un acero corrugado de los
habitualmente utilizados en bulonaje ap - 500 MPa, resulta que:
500.D
L=�-4 . 4,0
es decir,
L = 31,25 . D (5)
16
1
Para realizar un ensayo de adherencia los bulones deberán tener unalongitud inferior a la indicada por la expresión (5). En la práctica se utilizan para estosensayos bulones cuya longitud es de unas 20 veces su diámetro.
3.2.2. Condiciones de colocación .
Las condiciones de colocación de los pernos tienen una importanciaapreciable en la calidad del anclaje obtenido ya que es preciso garantizar que el morterode anclaje tiene un proceso de fraguado adecuado.
Pueden realizarse dos tipos de ensayos , sobre las condiciones decolocación , que se describen a continuación , uno debe realizarse en un laboratorioespecífico y otro puede realizarse "in situ".
3.2.2.1. Determinación de las condiciones óptimas de colocación
En el correcto trabajo de los pernos influyen algunos parámetros quedependen de las condiciones de colocación entre los que cabe citar los siguientes:
* Diferencia entre el diámetro del perno y el del taladro en que se va a colocar.
* Velocidad de rotación del perno y tiempo de batido al colocarlo si se ancla con resina.
* Tiempo de inmersión de las cargas de cemento.
* Exceso de mortero a colocar.
La determinación de la incidencia de estos parámetros sobre la eficaciadel anclaje conseguido puede estudiarse realizando ensayos de laboratorio y controlando
las condiciones de utilización con la suficiente precisión.
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Para colocar los pernos hay que construir unos paralelepipedos dehormigón de 25X25 cm . de sección y longitud que supere en 20 cm. a la del bulón quese quiere anclar . Una vez que el hormigón ha fraguado se debe perforar un taladro axialcuyo diámetro debe corresponder al que se va a utilizar en la realidad. Este taladropuede hacerse con una perforadora eléctrica sobre una deslizadora convencional.
Una vez realizado el taladro se puede proceder a colocar el pernoutilizando una perforadora con variador de velocidad y controlando los parámetros que sequiere estudiar.
Al concluirse el fraguado del mortero se realiza un ensayo de tracciónconvencional y, posteriormente, se parte longitudinalmente el paralelepipedo paraobservar el reparto del mortero a lo largo del perno.
Estos ensayos fueron realizados en la Cuenca Central Asturiana aprincipios de los años setenta , con excelentes resultados , CELADA (1.973), y se realizanactualmente de forma regular en el BERGBAU FORSCHUNG de Essen (RFA).
3.2.2.2 . Detección de defectos de enetaie ,
Los ensayos a tracción sobre bulones colocados garantizan que el bulónacepta la carga del ensayo pero , conforme se ha indicado en el apartado 3.2.1.1., estasuele ser aproximadamente el 50% de la carga de rotura. Este nivel de carga puedealcanzarse perfectamente en la mayoria de los bulones colocados aunque existanapreciables defectos en la distribución del mortero de anclaje. Esta situación,lógicamente , será más probable cuanto mayor sea la longitud del bulón. Por otra parteun reparto inadecuado del mortero de anclaje puede permitir un movimiento diferencialdel terreno con importantes consecuencias para la estabilidad de la excavación.
Para determinar la calidad del reparto del mortero en un perno puedeutilizarse el Boltometer, descrito por THURNER ( 1.983). El principio de
18
funcionamiento de esta técnica se basa en suministrar un impulso mecánico a un perno
ya colocado y seguir el proceso de atenuación de este impulso al recorrer el perno.
De la Figura Na 5 se ilustra el principio de funcionamiento del
Boltometer . Para realizar el ensayo se pone en contacto con el extremo libre dei perno
un captador de vibraciones y, a través de él, se induce en el perno un impulso mecánico
de baja energía . Este impulso se va atenuando progresivamente a medida que recorre el
perno y cuando llega al final del taladro se refleja en la roca dando un aumento de
amplitud y haciendo el recorrido inverso hacia el captador.
Si al final del perno no existe el mortero de anclaje , la amortiguación del
impulso es menor y se producirá antes que en el caso en que el perno estuviera
totalmente anclado . El Boltometer es capaz, a partir del tiempo en que se produce el
impulso reflejado , de situar el final de la parte del perno que tiene mortero de anclaje
con una precisión de 0,1 m.
Comparando resultados de ensayos de laboratorio con medidas realizadas
en el Boltometer se pueden llegar a tipificar y detectar otros defectos.
3.3. Ensayos de hormigón orovectado .
El hormigón proyectado es, ante todo, un hormigón y por lo tanto los
ensayos de control de calidad deben ser los usuales en el caso de hormigones en masa o
encofrados , esencialmente ensayos de compresión simple, con las necesarias matizaciones.
Una de las diferencias esenciales es que, debido al proceso constructivo,
no se puede normalmente esperar 28 días para conocer si el hormigón proyectado tiene la
resistencia requerida o no ya que en caso negativo es probable que se hayan producido
agrietamientos en el sostenimiento y movimientos indeseados.
En el caso del hormigón proyectado, las probetas para el ensayo no se
hacen con moldes especiales sino que se obtienen mediante perforación de una masa de
19
SENSOR
d U
SENSOR
FIGURA N4 5. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL "BOLTOMETER".
hormigón proyectado "in situ" sobre un soporte especial . Los ensayos pueden realizarse alos 8 horas , 3 dias y 28 dias sobre probetas cilíndricas . Los resultados obtenidos a 8horas y 3 dias pueden representar el 20% y el 55% de la resistencia final . Si se utilizanacelerantes en exceso se pueden lograr resistencias iniciales elevadas pero con pérdidasentre el 20 y 30% a los 28 días respecto a la resistencia máxima posible.
A la vista de lo anterior está claro que el control fundamental del
hormigón proyectado debe hacerse mediante la realización de ensayos a compresión
simple en laboratorio.
In situ los controles deben dirigirse hacia la verificación de los espesores
de hormigón , el índice de rebote y la calidad de colocación.
4.- ENSAYOS REALIZADOS EN BANCOS DE ENSAYOS.
De lo expuesto hasta ahora se deduce que los ensayos sobre hormigón
proyectado deben realizarse utilizando prensas convencionales para ensayos de
compresión simple.
Los ensayos sobre bulones de sostenimiento esencialmente se realizan con
equipos portátiles que han sido definidos por la Sociedad Internacional de Mecánica de
Rocas.
Los ensayos de otros elementos de sostenimiento , como piezas para
construir cuadros de madera y llaves de madera para protección de galerías de tajo,
pueden realizarse en bancos para ensayo de sostenimiento de tajos que ya han sido objeto
de un proyecto específico realizado por AITEMIN para el IGME.
Sin embargo el ensayo de cuadros metálicos exige disponer de un banco
específicamente diseñado para ese fin. En los apartados siguientes se expone brevemente
la actividad realizada en este campo por algunos de los principales centros de
20
investigación existente en la C.E.E. Los detalles de estas actividades pueden obtenerseen cuatro publicaciones de CHOQUET ( 1.980 y 1.981).
4.1. BERGBAU FORSCHUNG (R.F.A. .
El Bergbau Forschung ha realizado numerosos ensayos sobre cuadros
metálicos utilizando para ello las instalaciones del Staatlichen Materialprüefungsamt en
Dormunt (RFA).
En el Cuadro I se presenta un resúmen de los ensayos realizados que se
han efectuado con cuadros metálicos rígidos fabricados con perfiles GI-120 y con
perfiles deslizantes TH tipo 48 . En todos los casos el peso de los perfiles ha sido de 29
Kg/m. La sección útil de los cuadros ha sido de 17-18 m2, la máxima carga activa ha
sido de 105 t. y la carga pasiva se ha medido con dinamómetros con una rigidez superior
a 300.000 Kg/cm. MALCHIN (1.979) ha descrito con detalle el resultado de los ensayos
realizados.
4.2. STAHLVERFORMUN E.V. (RFAI .
El STAHLVERFORMUN E.V. de Hagen (RFA) ha realizado ensayos
sobre cuadros metálicos en tres etapas diferentes.
En la primera de ellas , a lo largo de 1.963, se instrumentó un cuadro
metálico en una galería de taller con objeto de establecer los parámetros más
significativos durante el proceso de deformación. FRITZSCHE (1.964) ha relatado
detalladamente los resultados obtenidos en esta campaña.
En la segunda etapa se realizaron ensayos con cuadros metálicos en el
banco del "Staatlichen Materialprüfungsamt" (MPA) de Dormunt. En el Cuadro II se
presenta un resúmen de los resultados obtenidos , SCHAEFER-ROLFFS (1.968). Los
ensayos se realizaron con cuadros hechos con perfil GI-120 y 110, que es una doble T
21
CUADRO ENSAYADO DIMENSIONES DEL CUADRO CARGAS APLICADAS MEDIDA DE
TIPO PESO ALTO (a) ANCHO (m) SECCI4 ÚTIL ACTIVA (t) PASIVA (t) TOTAL (t)DESPLAZAMIENTO
UNITARIO K mRigido 29 4,0 5,8 17,9 46 48 94 SiGI-120
Deslizante 29 4,0 5,8 16,8 35 -- 35 SiTH-48
Deslizante 29 4,0 5, 8 16,8 73 73 146 SiTH-48
Rigido 29 4,0 5,8 16 ,8 18 -- 18 SiGI-120
Rigido 29 4,0 5,8 16 ,8 105 105 210 SiGI-120
CUADRO I. CARACTERISTICAS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS EN EL BERGBAU FORSCHUNG (R.F.A.).
CUADRO ENSAYADO DIMENSIONES DEL CUADRO CARGAS APLICADAS MEDIDA DE
PESO SECCION ÚTILDESPLAZAMIENTO
TIPO UNITARIO K m ALTO ( v) ANCHO (s) ACTIVA (t) PASIVA (t) TOTAL (t)
Rigido 29,5 3,1 4,2 10 . -- -- 95 Sii,I-120
Rigido 29,5 3,1 4,2 10 38 75 113. Si61-120
Rigido 24,5 2,9 3 , 5 8 27,5 -- 27,5 Si'GI-110
Rigido 24,5 2,9 3 , 5 8 32 10 42 SiGI-110
Rigido 24 , 5 2,9 3,5 8 50 20 70 SiGI-110
CUADRO II . CARACTERISTICAS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS EN EL STAHLVERFORMUNG (R.F.A.).
alemana, con pesos de 29 Kg/m. y secciones de 10 y 8 m2. La máxima presión activaaplicada fué de 50 t.
La tercera etapa se desarrolló en una galería de tajo en la que seinstrumentaron los cuadros metálicos con objeto de estudiar el comportamiento dediversos sistemas de guarnecido.
4.3. E.N.S. de Minas de Paris (Francia) .
A principio de los años 80 en el Centro de Mecánica de Rocas de laE.N.S. de Minas de Paris se realizaron numerosos ensayos dirigidos , fundamentalmente,hacia la determinación de las características resistentes de los cuadros metálicos utilizadosen los túneles ferroviarios de la S.N.C.F.
Los ensayos fueron realizados en el banco de ensayos que laASSOCIATION DES INDUSTRIELS DE BELGIQUE tiene en Bruselas.
En el Cuadro III se presenta el resúmen de los ensayos realizados. Seutilizaron perfiles de ala ancha de 52 Kg/m. y TH de 29 y 36 Kg/m. La sección de loscuadros ensayados oscilaba entre 10 y 18 m2 y se aplicó una carga activa máxima de 90t. CHOQUET (1.980 y 1.981).
4.4. MINING RESEARCH AND DEVELOPMENT ESTABLISHMEN (U.K.) .
El M.R.D. E. que pertenecía a la antigua National Coa¡ Board, actualemnte
British Coa¡ Corporation , realizó en 1 .964 en sus instalaciones de Bretby una campaña de
ensayos sobre cuadros metálicos rígidos que son los utilizados mayoritariamente en las
minas británicas , N.C.B. (1.965).
En el Cuadro IV se presenta el resúmen de las condiciones en que fueron
realizados los ensayos en la M.R.D.A. El peso de los perfiles fué de 23 y 27 Kg/m., la
22
CUADRO ENSAYADO DIMENSIONES DEL CUADRO CARGAS APLICADAS MEDIDA DE
PESO SECCI UTILDESPLAZAMIENTO
TIPO UNITARIO K m ALTO (a) ANCHO (m) ACTIVA (t) PASIVA (t) TOTAL (t)
Rigido 52 4,0 4,5 16,8 90 40 130 SiHEB-1 •Q•0
Rigido 29 4,4 4,5 18 80 32 112 SiTH
Deslizante 29 4,4 4,5 18 40 23 63 SiTH
Deslizante 36 3.2 4,6 10 80 17 97 SiTH
Deslizante 36 3;8 9.6 16 60 45 105 SiTH
CUADRO III . CARACTERISTICAS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS EN LA ESCUELA DE MINAS DE PARIS.
CUADRO ENSAYADO DIMENSIONES DEL CUADRO CARGAS APLICADAS MEDIDA DEPESO SECCION ÚTIL DESPLAZAMIENTO
TIPO UNITARIO K w ALTO (w) ANCHO ( w) ACTIVA (t) PASIVA (t) TOTAL (t)
Ri ido H 23 2,4 3,3 5,5 15 -- 15 Si
Rígido H 27 3,6 5,2 15 13 -- 13 Si
-- -- -- -- -- -- -- --
CUADRO IV . CARACTERISTICAS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS EN EL M.R.D.E.
sección útil de los cuadros de 6,5 y 12 m2, mientras que la máxima carga activa aplicadafué de 15 t.
En 1.986 la actual British Coa¡ Corporation ha iniciado ensayos concuadros deslizantes de perfil TH que todavía no han concluido.
4.5. INSTITUT NATIONAL DES INDUSTRIES EXTRACTIVES (Bélalea
El I.N.I.E.X. ha realizado desde 1.%1 numerosos ensayos con elementosde sostenimiento de galerías y particularmente con cuadros metálicos , VAN DUYSE(1.964 y 1.970).
Los ensayos fueron realizados en las instalaciones que la Association desIndustriels de Belgique tiene en Bruselas . En el Cuadro V se muestran las condiciones delos ensayos realizados con cuadros metálicos de perfil TH. El peso de los perfiles delcuadro era de 29 Kg/m., la sección util de 8 ,4 m2 y la máxima carga aplicada de 72 t.
5.- NORMATIVA DE APOYO.
Para que los ensayos de un laboratorio, aunque sea oficial, tengan -unaeficacia práctica es imprescindible que exista una normativa de apoyo que regule laforma de realizar los ensayos y las condiciones en que debe ser exigible la realización deestos ensayos.
En Alemania, Reino Unido y Francia está muy desarrollada la normativasobre ensayos de elementos de sostenimiento , ya sea a nivel oficial o a nivel deasociaciones profesionales como es el caso de la Association Francaisse de Travaux en
Souterrain de Francia; sin embargo la situación en España es bastante distinta y queda
mucho camino por recorrer hasta que exista una normativa, acorde con la actividad de la
minería española, que sea comparable a la de otros paises de la C.E.E.
23
CUADRO ENSAYADO DIMENSIONES DEL CUADRO CARGAS APLICADAS MEDIDA DEPESO SECCION UTIL DESPLAZAMIENTO
TIPO UNITARIO K m ALTO ( �) ANCHO (w) ACTIVA (t) PASIVA (t) TOTAL (t)
DeslizanteTH 29 2,9 3,4 8,4 72 -- 72 No
CUADRO V.. CARACTERISTICAS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS EN EL INIEX.
En los apartados siguientes se comenta brevemente la normativa españolaactual y se hace una breve exposición de la que sería necesario desarrollar con másurgencia.
5.1. Normativa existente .
La Base 29 del Decreto-ley de 29 de Diciembre de 1.868 imponía lapublicación de un Reglamento de Policia Minera que señalara las atribuciones de laAdministración en orden a los preceptos de seguridad, salubridad e higiene a que habríande estar sujetas todas las minas.
En cumplimiento de este mandato se dictó el 15 de Julio de 1.897, casi 30años después,, un Reglamento que estableció las prescripciones de Policia y Seguridad enlas explotaciones mineras hasta que el 28 de Enero de 1.910 fué sustituido por un nuevoreglamento vigente hasta la publicación, el 16 de Septiembre de 1.934, del Reglamentode Policia Minera y Metalúrgia que fué ampliado y modificado por el Decreto2540/1.960, de 22 de Diciembre , sobre ventilación de minas; Decreto 1466/1.962 de 22de Junio , sobre explosivos; Decreto 416/ 1.964 de 6 de Febrero , sobre instalacioneseléctricas en minería, y Decreto 2991 / 1.967, de 14 de Diciembre, sobre ventilación delocomotoras de combustión interna.
El 2 de Abril de 1.985 se aprobó el Reglamento General de Normas Bási-cas de Seguridad Minera que se establece de una forma abierta ya que por un lado man-tiene en vigor el Reglamento de Policia Minera y Metalúrgica de 1.934, en aquellos artí-culos a los que no se hace referencia en el nuevo Reglamento General de Normas Básicasde Seguridad Minera, y por otro se prevea su ampliación por medio de las denominadasInstrucciones Técnicas Complementarias (I.T.C.) de las cuales se han publicado 59.
Así mismo en la ITC SM 12.0.02 se relacionan las Normas Técnicas deObligado Cumplimiento que en total son 66 distribuidas de la siguiente forma
24
30 Normas U.N.E.
5 Normas I.S.O.
31 Especificaciones Técnicas.
Además es preciso tener en cuenta el Real Decreto 3255/1.983 de 21 deDiciembre por el que se aprueba el Estatuto Minero que también tiene incidencia sobreseguridad del trabajo en las minas.
A pesar del importante esfuerzo legislativo realizado en los últimos años
hay que señalar que las disposiciones que existen sobre la utilización del sostenimiento en
las galerías y los tajos de las minas son muy escasas.
Evidentemente el Reglamento de 1.934 no puede contemplar losimportantes desarrollos en conocimientos y tecnología que han tenido lugar en las dos
últimas décadas por lo que se refiere al sostenimiento de las estructuras mineras. Sin
embargee el Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera de 1.985 no
contempla específicamente estos temas, otro tanto ocurre con las Instrucciones Técnicas
Complementarias y con las normas I.S.O. de obligado cumplimiento.
Las Normas U.N.E. 22.700, 22.710 y 22.740 definen las especificaciones y
ensayos de los estemples hidráulicos , de fricción y bastidores a emplear en los tajos de
explotación . Así mismo las especificaciones técnicas 0713-1-85 y 0720-1-85 se refieren
a las características y ensayos de las válvulas limitadoras de presión y al sostenimiento
autodesplazable.
Así mismo sin tener rango de obligado cumplimiento pueden citarse las
siguientes normas, que han sido todas ellas promovidas por el I.G.M.E.:
UNE 22.781 Bulones de anclaje puntual.
UNE 22.782 Bulones lisos de anclaje repartido.UNE 22.783 Placas de base.UNE 22.784 Tuercas.
25
UNE 22.785 Arandelas.
ANTEPROYECTO DE NORMA UNE 22.750-1 Pefiles metálicos tipo TH.ANTEPROYECTO DE NORMA UNE 22.750-2 Perfiles metálicos tipo THN.ANTEPROYECTO DE NORMA UNE 22. 786 Resinas y cementos para anclaje debulones.
5.2. Normativa a desarrollar.
A la vista de escaso número de normas existentes en materia de
sostenimiento de galerías es preciso abordar la realización de las normas necesarias para
situar a España al nivel de otros países de la C.E.E.
Con ánimo unicamente enumerativo y sin ser exhaustivos se relacionan a
continuación las materias que se consideran más interesantes para ampliar la normativa
existente.
' Perfiles metálicos para cuadros rígidos.
' Uniones en cuadros rígidos.
' Uniones en cuadros deslizantes.
' Elementos de guarnecido.
' Reutilización de cuadros recuperados.
' Enderezado de perfiles TH en frio.
' Bulones corrugados de anclaje repartido.
' Telas metálicas de sostenimiento.
' Hormigones proyectados.
' Aditivos para hormigones proyectados.
' Cables de anclaje.
' Clasificación de galerías según sus necesidades de sostenimiento.
' Dimensionado del sostenimiento con cuadros rígidos.
' Dimensionado del sostenimiento con cuadros deslizantes.
26
* Dimensionado del sostenimiento con bulones.* Dimensionado del sostenimiento con hormigón proyectado.* Colocación de cuadros metálicos rígidos.' Colocación de cuadros metálicos deslizantes.* Colocación de bulones de anclaje repartido.' Colocación del hormigón proyectado.* Colocación de cables de anclaje.* Ensayo de cuadros metálicos rígidos.* Ensayo de cuadros metálicos deslizantes.* Ensayo de bulones de anclaje repartido.* Ensayo de cables de anclaje.* Ensayo de hormigones proyectados.* Control del sostenimiento de galerías.
6.- ANTEPROYECTO DE UN BAN O DE EN AYO DE CUADROS DE SOSTE-NIMIENTO.
En los apartados siguientes se presenta un anteproyecto de lascaracterísticas de un banco de ensayos para cuadros de sostenimiento que podríaconstruir el I.G.M.E. en sus laboratorios de Tres Cantos.
6.1. Justificación .
Ya se ha indicado, en el apartado 2.1., que en España se colocananualmente unos 110.000 cuadros metálicos como elementos de sostenimiento de loscuales puede estimarse que el 80% se utiliza en galerías de mina y el 20% en obrassubterráneas.
La existencia de un banco de ensayos de cuadros metálicos permitiríaconocer las características resistentes reales de los cuadros actualmente utilizados y de los
27
prototipos nuevos lo cuál sería un paso importante para llegar a establecer unos criteriosclaros sobre su dimensionado como sostenimiento.
No hay que olvidar que en minería es muy frecuente la reutilización delos cuadros metálicos y que muchos de ellos sufren un proceso de enderezado en friopara establecer las formas iniciales tras los procesos de deformación que sufren en las
galerías. Es evidente que la utilización de un cuadro deformado, recuperado y
enderezado debería estas sujeta a los resultados de alguna verificación o a las disposi-
ciones de una norma específica para este caso.
Por último es evidente que se si dispusiera de un banco de ensayos ,para
cuadros metálicos se estaría en disposición de realizar investigaciones para mejorar los
diseños actuales que en el momento presente no pueden realizarse en España.
Por todo lo anterior hay que concluir que la construcción de un banco de
ensayos de cuadros metálicos, que podría estar ubicado en los laboratorios que el
I.G.M.E. tiene en Tres Cantos, sería muy positiva para reglamentar y progresar en el uso
de cuadros metálicos en las galerías de mina , y obras subterráneas españolas.
Los resultados que se obtendrían a partir de los ensayos de control, la
normativa que podría desarrollarse y las investigaciones que podrían impulsarse
constituirían una aportación muy positiva para mejorar la seguridad en las galerías de
mina y obras subterráneas españolas a la vez que el incremento del nivel tecnológico que
se lograría contribuiría a abaratar los costes de la conservación de la galería de mina.
6.2. Conceocida del banco de ensayos.
Después de analizar la información obtenida sobre los ensayos realizados
con cuadros metálicos en los principales paises de la C.E.E. proudctores de carbón y a la
vista de las características de los bancos de ensayos utilizados se ha realizado un ante-
proyecto de banco de ensayos para cuadros metálicos que se presenta en el Plano NI' 1.
28
En los apartados siguientes se exponen las catacteristicas más importantes del diseñorealizado,
6.2.1. Concento y dimen loes.
El banco de ensayo proyectado permite realizar ensayos activos de cargasobre cuadros metálicos que tengan unas dimensiones interiores de hasta 6 m. de ancho y5,5 m. de alto. Esto supone que pueden ensayarse~os con una sección útil de unos25 m2 que cubre todas las dimensiones de los cuadres utilizados en galerías de mina yuna buena parte de los utilizados en obra subterráneas.
El banco de ensayo será capaz de aplicar una carga de hasta 300 toneladasen sentido vertical y de hasta 150 t. en sentido horizontal.
Los cuadros deberán ensayarse ea posición horizontal apoyándolos sobreuna losa en la que se anclarán los sistemas de carga y de reacción. El banco de ensayo
podrá ubicarse en una nave que tenga una superficie de unos 12X15 = 180 m2 y una
altura mínima de 3 m.
6.2.2. Sistemas de carea .
El banco estará dotado de tres sistemas de carga accionados por sendascentrales electrohidráulicas. Una proporcionara el equivalente a la carga vertical sobre elcuadro y actuará, a través de éste, sobre una esturctura de reacción arriostrada sobre lalosa de ensayo. Los otros dos sistemas de carga se utilizarán para proporcionar el
equivalente a la carga horizontal sobre el cuadro metálico.
La carga se aplicará a través de ocho cilindros hidráulicos, todos iguales,
que serán capaces de proporcionar una fuerza de empuje de 75 t., cada uno y un
desplazamiento de 500 mm. El sistema de carga vertical dispondrá de cuatro cilindros
para totalizar las 300 t. de empuje previstas. Cada uno de los sistemas de carga
29
horizontal dispondrá de dos cilindros hidráulicos que proporcionarán , en cada sistema,una fuerza de empuje de 150 t.
Para adaptarse a las distintas dimensiones de los cuadros metálicos aensayar el sistema de carga vertical será fijo y podrá variar de posición la estructura deapoyo. Los dos sistemas de carga horizontal serán de posición variable.
El banco se complementará con dos cilindros pasivos de reacción, quetambién serán de posición variable , y con una estructura de protección para evitar losefectos de movimientos imprevistos del cuadro que se esté ensayando.
6.2.3. Sistema de medida.
En el banco de ensayos se instalarán los transductores necesarios pararealizar las siguientes mediciones:
' Presión en el interior de cada uno de los ocho cilindros activos.
• Presión en el interior de cada uno de los dos cilindros pasivos de reacción.
' Desplazamiento de cada uno de los diez cilindros del banco.
' Fuerza aplicada al cuadro por el sistema de empuje vertical, por los dos sistemas deempuje horizontales, reacciones del cuadro sobre la estructura de apoyo y sobre los dos
cilindros de reacción. Estas fuerzas se medirán con sendos dinamómetros de rigidez
superior a 300.000 Kg/cm.
' Se dispondrá de un equipo de extensometria , con al menos 60 canales, con objeto de
poder efectuar mediciones de la deformación en. algunos puntos del cuadro utilizando
bandas extensométricas.
30
6.2.4. Sistema de adquisición de la información .
El banco se ha diseñado para que funcione con un sistema de adquisiciónde datos que permita un registro continuo de los parámetros indicados en el apartado6.2.3. y su almacenamiento en un soporte magnético.
Para ello se ha diseñado el equipo de adquisición de datos cuyo diagrama
de bloques se indica en la Figura NO 6 de forma esquemática.
El modelo de este sistema de adquisición de información está constituído
por un microordenador con una CPU basada en un 80386 trabajando a una frecuencia de
reloj de 20 MHz que permite una alta velocidad de proceso de información.
Las señales de los distintos instrumentos de medida, convenientemente
acondicionada, llegarán a través de un scanner de 100 canales a un convertidor
analógico-digital que permitirá el acceso al microordenador.
Las misiones a desarrollar por el microordenador serán las siguientes:
' Análisis de las mediciones efectuadas para ordenar, analógica y digitalmente , el proceso
de ensayo de acuerdo con un protocolo previamente establecido.
' Registro gráfico de las magnitudes medidas durante el ensayo.
Archivo magnético de las magnitudes medidas durante el ensayo.
' Modificación a voluntad del operador, a partir de un teclado, del proceso de ensayo.
Editar, a través de una impresora, el protocolo del ensayo.
31
CONVERTIDO
ACONDI CID- ANAOORES SCANNER
DE ANALOGICOSEÑAL (ACANALES
INSTRUMENTACIONDE MEDIDA
CONUNIDAD DE
SALIDAS ANALOGICAS A 80386 01 SCOSPARA MANDO O 20 MHz
REGISTRADOR�eC XV y xl
--J-
SALIDAS DIGITALES
PARA MANDOV. 0. U.
IMPRESORAGRAFILA L
TECLADO
FIGURA M. G. ESQUEMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOSDEL BANCO DE ENSAYOS
r
La implementación del sistema de adquisición de datos exigirá la puesta apunto del software necesario de acuerdo con el diagrama de funcionamiento expuesto enla figura N4 6.
6.3. Presupuesto .
El presupuesto estimado para el proyecto e instalación del banco deensayos para cuadros metálicos se estima en CUARENTA Y SIETE MILLONESNOVECIENTAS TREINTA Y SEIS MIL PESETAS (47.936.000,- Pts) de acuerdo con el
desglose siguiente:
* Losa de apoyo (incluyendo excavación, armaduras,hormigonado y cajetines guias ) ................................................................. 3.800.000,- Pts.
* Sistema de carga (incluyendo cilindros activos
de empuje, centrales y sistema hidráulico, cilin-
dros pasivos y estructura de reacción ) ...................................................... 8.300.000,- Pts.
Sistema de medida (incluyendo transductores de
presión, desplazamiento y equipo de extensometría) .............................. 10.700.000,- Pts.
* Sistema de adquisición de datos ( incluyendoscanner, convertidores analógico-digital , micro-ordenador, periféricos y software de control deproceso) ....................................................................................................... 8.200.000,- Pts.
Equipos auxiliares (incluyendo instalación eléc-
trica, puente grua y herramientas ) ............................................................ 3.800.000,- Pts.
32
* Proyecto de detalle para la construcción del bancode ensayos (incluyendo cálculos de dimensionado demateriales ; esquemas hidráulicos, eléctricos ymecánicos; planos constructivos y de montaje ) ........................................ 8.000.000.- Pts.
SUMA ................................................................................... 42.800.000,- Pts.12% I.V.A ........................................................................... 5.136.000. Pts.
TOTAL .................................................................... 47.936.000,- Pts.
7.- CONCLUSIONES.
A la vista del estado tecnológico actual por lo que se refiere a los
elementos de sostenimiento de galerías utilizadas en la minería española parece necesario
dotar a la Administración del soporte apropiado para poder realizar los ensayos
necesarios para comprobar su adecuación a las condicines de utilización y contribuir a la
puesta a punto de nuevos desarrollos que incidan de forma positiva en las condiciones de
seguridad y conlleven una reducción de costes.
Para que la realización de estos ensayos sea efectiva es necesario poner en
vigencia las correspondientes normas de procedimiento que regulen las características de
los elementos de sostenimiento a utilizar y los ensayos de control necesarios.
Es necesario resaltar que, pese al importantísimo esfuerzo realizado en los
últimos años para actualizar la legislación que regula el trabajo en las minas españolas,
los temas referentes al sostenimiento de galerías están muy escasamente desarrollados en
la legislación vigente. Por ello como fruto de este trabajo se presenta una relación de
materias que deberían ser objeto de una actividad normativa para alcanzar , en el más
corto plazo posible , el nivel requerido.
33
Como complemento de la actividad anterior se considera muy positiva lapuesta en funcionamiento de un banco de ensayos para cuadros metálicos de los que enEspaña se emplean actualmente unas 110 .000 unidades al año; lo cuál supone un gastopor importe de unos MIL OCHOCIENTOS CUARENTA MILLONES DE PESETAS. Nohay que olvidar, además, que de estos 110.000 cuadros el 80%, aproximadamente, seemplea como sostenimiento de las galerías de mina y que estos elementos son actualmente
reutilizados varias veces con controles escasos sobre sus características resistentes y sin
que exista una normativa que regule este proceso.
Por otro lado la existencia de un banco de ensayos de cuadros metálicos
permitirá afrontar trabajos de investigación, ahora imposibles de realizar en España.
8.- BIBLIOGRAFIA.
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