UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

FACULTAD DE INGENIRIA DE MINAS

SOSTENIMIENTO DE LABORES MINERAS CON MADERA

POR: ING. OSCAR E. LLANQUE MAQUERA

I GENERALIDADES

� Uno de los objetivos principales en el diseño del

sostenimiento de las labores subterráneas es dar

el equilibrio al macizo rocoso, es decir ayudar a

sostenerse. Para lo cual el profesional que

diseñará el tipo de sostenimiento debe de tener

amplio conocimiento de la mecánica de rocas y

geotecnia de la zona en que el sostenimiento

seleccionado pueda soportar las cargas del terreno

Zona de fracturación

Es todo el volumen de roca situado

sobre las labores que resulta

quebrantada y movido en el

reajuste de los equilibrios.

Área de la zona fracturada.- Es el

área de dicha zona, en la mayoría

de los casos está es igual a la de

las labores.

Altura de la zona dePerturbación.- Es la altura medida

sobre el eje de la zona y por

encima del área.

Principios fundamentales para el

diseño de sostenimiento� La estructura debe ser colocada lo más cerca posible al frente

para permitir sólo el mínimo reajuste del terreno de dicha colocación.

� Ella debe ser rígida para que el reajuste que se produce después de la colocación sea reducido al mínimo.

� La estructura debe estar constituida por piezas de fácil construcción, manipuleo e instalación.

� Las partes de la estructura que han de recibir las presiones o choques más fuertes deben tener tales características y ubicación que trabajen con el menor efecto sobre la estructura principal misma.

� Ellas deben interferir lo menos posible a la ventilación y no estar sujetas a riesgos de incendio.

� Su costo debe ser tan bajo como lo permita su buen rendimiento

Estimado de presión y espaciamiento

(1) Condiciones dela carga

(2) Carga de la rocaHp en pies

(3) Espaciamiento sugerido para cuadros

en pies

1. Dura e intacta.2. Masiva, moderadamente agrietada.3. Estratificada o esquistosa.4. Moderadamente fracturada y grietosa.5. Muy fracturada y grietosa.6. Sin consolidar o completamente triturada.7. Roca descompuesta que fluye a la galería.

. Prof. Moderada.8. Mojada, roca competente.9. Roca esponjada.10. Mojada, material triturado o sin consolidar.

Cero0 – 0.25 B0 – 0.5 B

0.25 B – 0.35 (B + Wt)

0.35 (B + Ht) a 1.10 (B + Ht)1.10 (B + Ht)

Excede 1.10 (B + Ht)(1.10 – 2.10)(B + Ht)

Puede caer en (1), (5) ó (7)Hp hasta 250 pies1.10 (B + Ht) ó más

Sin soporte.5 pies, si es necesario.5 pies, si es necesario.

4 a 5 pies.2 a 4 pies.2 pies

2 pies o menos.

De (1), (5) ó (7)1.5 a 2 pies.2 pies o menos.

TABLE 2.2 Esfuerzos permisibles para maderas en minas secas(lb/pulg2)

(1)Especies

(2)

Fibra más

distante a la

flexión

(3)

Compresión

perpendicular a la

flexión

(4)

Compresión

paralela a la fibra

(5)Fórmula de las columnas (P/A)

(4)

Fresno, blancocomercial

1100

(7000)

450

(1300)

1300

(6400)

1300(1-L/60d)

Cedro, rojo del oeste 800

(5300)

230

(610)

900

(5000)

900(1-L/60d)

Ciprés del sur 900

(7200)

170

(900)

1100

(6400)

1100(1-L/60d)

Abeto DouglasCostero, fibra apretada

1700

(8100)

345

(910)

1600

(7400)

1600(1-L/60d)

Abeto Douglasde las montañas

1200

(6300)

310

(820)

1200

(6100)

1200(1-L/60d)

Abeto, blancocomercial

1200

(6300)

300

(610)

900

(5400)

900(1-L/60d)

Pino del oeste 1100

(6800)

220

(680)

1200

(6200)

1200(1-L/60d)

Arce, azúcar ynegro

1200

(8900)

450

(1500)

1400

(7200)

1400(1-L/60d)

Roble rojo comercial,blanco

1100

(8100)

450

(1300)

1300

(7000)

1300(1-L/60d)

Pino blanco del oeste,Del norte, azúcar

800

(6000)

150

(600)

900

(7300)

900(1-L/60d)

Pino, noruega 900

(9400)

150

(830)

900

(7300)

900(1-L/60d)

Pino del suramarillo, fibra larga

1300

(9300)

260

(1200)

1300

(8400)

1300(1-L/60d)

Pino del sur,amarillo fibra corta

1000

(7700)

170

(1000)

1100

(7100)

1100(1-L/60d)

Abeto rojoBlanco

1000

(6700)

180

(710)

1100

(5600)

1100(1-L/60d)

Pino alarce 900(8000)

220(990)

1000(7200)

1000(1-L/60d)

Tabla . 2.3 Peso de rocasMaterial Peso in situ, lb/pie3

BasaltoDolomitaGneisGranitoCalizaArena secaArena mojadaAreniscaEsquistoLutitaPizarra

175 – 192

131 – 168

165 – 182

145 – 176

131 – 168

120

133

125 – 168

168 – 182

125 – 168

170 - 180

SOSTENIMIENTO CON MADERA

� El sostenimiento con madera, en muchos otros países es todavía un material básico de soporte para muchas minas en donde no se puede emplearse otros medios de sostenimiento. Además de datos ingenieriles que deben conocerse, la resistencia de la madera se estudia con respecto a los esfuerzos de tensión, compresión, flexión, esfuerzo cortante

Duración de la madera

La duración de la madera en las minas es muy variable, pues, depende de las condiciones en que trabaje. Por ejemplo:

� La madera seca dura más que la verde.

� La madera descortezada dura más que aquella que conserva la corteza.

� La madera “curada” (tratada con productos químicos para evitar su descomposición) dura más que la que no ha sido tratada.

� La madera en una zona bien ventilada dura más que en una zona húmeda y caliente.

Ventajas y desventajas

VENTAJAS

� Es ligera, se transporta, corta, maneja y se coloca fácilmente como soporte en la mina.

� Se rompe a lo largo de la estructura fibrosa precisas, dando señales visuales y audibles antes de que falle completamente. Esto ha hecho que los mineros consideren a la madera como una ventaja sicológica sobre el acero.

� La piezas rotas se pueden volver a utilizar para calces, cuñas, bloques, relleno, etc.

DESVENTAJAS

� La resistencias mecánicas (flexión, tensión, pandeo, compresión y cortante) dependen de las estructuras fibrosas y de los defectos naturales que son propios de la madera.

� La humedad tiene un efecto muy marcado en la resistencia.

� Muchos hongos afectan a la madera cuando hay condiciones de humedad disminuyendo considerablemente su resistencia.

� La madera es un material fácilmente combustible, por lo que el fuego podría propagarse rápidamente por los cuadros y producir gases venenosos, muchos casos sucedidos en la minas peruanas, como podemos citar uno de ellos en la Mina de Cerro de Pasco.

• La densidad de la madera descortezada es a menudo un buen

criterio de su resistencia, ya que esta representa la cantidad

real de materia por unidad de volumen.

• La resistencia se ve afectada por las imperfecciones tales como

descomposición, nudos, fisuras, fracturas, fibras cruzadas.

• Los nudos, si se encuentran en la mitad inferior de la madera

empleada como sombrero o viga, reducen la resistencia del

sombrero en la misma proporción en que el área del nudo

afecta el área de la viga.

Resistencia de la madera

Tensiones paralela a la fibra

Compresión paralelaa la fibra

Resistencia a latensión de las fibras

• Las maderas locales, en caso de estar disponibles, son

empleadas en la mayoría de las minas.

• Los troncos con grano largo, tales como el álamo,

pino, abeto, roble, castaño se prefieren ya que al

romperse dan señales de alerta.

• El nogal americano, eucalipto y sauce son maderas

flexibles, las que se doblan bajo carga y no ofrecen

mucha resistencia al movimiento de la roca

La madera para sostenimiento de mina debe ser de fibras

largas de tal manera que tengan elasticidad así como

resistencia.

TIPOS DE MADERA UTILIZADA EN MINA

• Las maderas locales, en caso de estar disponibles, son

empleadas en la mayoría de las minas.

• Los troncos con grano largo, tales como el álamo, pino, abeto,

roble, castaño se prefieren ya que al romperse dan señales de

alerta.

• El nogal americano, eucalipto y sauce son maderas flexibles,

las que se doblan bajo carga y no ofrecen mucha resistencia al

movimiento de la roca

La madera para sostenimiento de mina debe ser de fibras largas

de tal manera que tengan elasticidad así como resistencia.

Propiedades de la madera

• Entre los datos que deben conocerse se

encuentra la resistencia de la misma con

respecto a los esfuerzos de tensión, compresión,

flexión, esfuerzo cortante.

Duración de la madera

• La madera seca dura más que la verde.• La madera descortezada dura más que aquella que

conserva la corteza.• La madera “curada” (tratada con productos químicos para

evitar su descomposición) dura más que la que no hasido tratada.

• La madera en una zona bien ventilada dura más que enuna zona húmeda y caliente.

Puede estimarse que la madera tiene un vida media quefluctúa entre uno y cinco años; sin embargo, en las Minasperuanas, se encuentran maderas que superan los 20 añosde duración y todavía están en buenas condiciones, pese aestar en zonas ya abandonadas de la mina.

ELEMENTOS DE UN CUADRO DE MADERA

• Consisten de varias piezas

de madera, las que forman

un marco a través de la

sección de la galería.

• Cuando el piso de las

labores es suave se puede

colocar una cuarta pieza

colocada sobre el piso, la

que se denomina “solera”.

Uniones para cuadros

� Las formas más simples de

uniones son las más

deseables; el objetivo de las

uniones es el lograr la

mayor resistencia de la

madera con la menor labor

posible de elaboración. La

siguiente figura muestra las

uniones más típicas.

TIPOS CUADROS DE MADERA

� El tipo más censillo consta de un “Sombrero” soportado por dos postes verticales, los cuales resisten también los empujes laterales de los hastiales. Este es llamado “Cuadro recto

Cuadro recto

� Si las presiones del

techo son elevados, se

reducen la longitud del

“Sombrero”, por lo cual

los postes son

inclinados; el cuadro

tiene entonces forma

trapezoidal, disposición

común en minas

metálicas esta es

conocida como “cuadro

cónico

Cuadro cojo

Cuadro en arco sin postes

� Cuando únicamente

el techo de la galería

requiere de

sostenimiento y las

paredes son fuertes,

se pueden omitir los

postes, soportando el

cuadro en rebajes en

las paredes de la

labor.

Sombrero de un cuadro

� Normalmente está sujeta a esfuerzo de compresión paralelo a las fibras por recibir la presión de las cajas o paredes laterales de una veta o estructura; sin embargo, en terrenos muy fracturados o arcillosos puede estar sometido también a esfuerzos de flexión.

� Cuando el puente está colocado directamente sobre el “sombreo” (fig. 4.5a), ambas piezas trabajarán, principalmente, a la flexión. Por elementales reglas de resistencia a la flexión será el doble de la que ofrecerá el sombrero solo; pero si las dos piezas estuvieran sólidamente unidas (con pernos o zunchos) la resistencia sería aumentada al cuádruplo (4 veces) de la que ofrecería el sombrero solo

POSTES� Los postes desarrollan esfuerzos de compresión paralelo a la fibras debido

a la carga que toma del techo y a la reacción que provocan en el piso de la labor. Podemos apreciar la situación tratándose de un poste vertical. Cuando, se acorta el sombrero, o sea con cuadros de forma cónica con postes inclinados, se producen en la cabeza de cada poste un esfuerzo de compresión transversal a las fibras que será mayor cuanto más inclinado se encuentre dicho poste

Flexión en los cuadros

� No es conveniente que las piezas de madera, cualesquiera que ellas soporten esfuerzos combinados de compresión y flexión debido a que las fibras tenderán a doblarse o combarse con lo cual la resistencia decrece enormemente. Por lo tanto, ni los sombreros ni los postes se les debe bloquear en otras zonas que no sean los puntos de apoyo

SOLERA

� Está sometida en sus

extremos a esfuerzos de

compresión

perpendicular a la fibras

por recibir la presión del

techo, a través de los

postes y la reacción del

piso directamente

TIRANTES

� Sólo están sujetos a un

pequeño esfuerzo de

compresión paralelo a

las fibras como resultado

de presiones laterales

entre cuadros que

siempre se producen por

los reajustes del terreno

o por la falta de perfecta

verticalidad de los

mismos cuadros

Destaje en los cuadros

ELEMENTOS AUXILIARES DEL CUADRO

ELEMENTOS AUXILIARES DEL CUADRO

De acuerdo al lado que afectará la comunicación se podrá colocar una o dos

longarinas. Si los cuadros no tuvieran solera, las longarinas podrán colocarse

también longitudinalmente, pero esta vez, sobre el piso de la galería y una a cada

lado de las hileras de postes.

Espaciamiento entre cuadros

� La longitud de los tirantes determina la distancia entre

cuadros de la labor. El espaciamiento depende,

principalmente de la clase de terreno a sostener

Terrenos fracturados : 5 a 6 pies.

Terrenos quebrados : 3 a 4 pies.

Terrenos molidos o arcillosos : 2 a 3 pies

Notas:

Carga de roca Hp en pies de roca sobre el techo de soporte en galería

de ancho B y altura Ht a una altura mayor que 1.5 (B + Ht) pies.

Se asume que el techo está situado bajo la napa freática, si el techo está

permanentemente por encima de esta, los valores para (4) y (6) se

pueden reducir en un 50%.

ESTIMADO DE LA PRESIÓN DEL TERRENO

� Ordinariamente uno debe conocer

mecánica de rocas para estimar las

cargas del terreno.

� En la figura la presión promedio de

la galería está determinada por Ph =

0.3 W (0.5 Ht + Hp) lb/pie2, en donde

W es el peso por pie cúbico de

material arenoso de libre flujo.

� La presión se considera como

resultante de un material con una

consistencia y la facultad para fluir

como arena

Presión en los cuadros rectos

� Empalmes para soportar la presión vertical

y lateral, que se hacen en cuadros rectos

Presiones en los cuadros cónicos

� Empalmes para soportar la presión vertical y

lateral, que se hacen en cuadros cónicos

TIPOS DE ENMADERADO EN DIFERENTES LABORES MINERAS

PUNTALES

Los puntales o postes a ser

utilizados en las labores

mineras pueden ser ya

sean redondos o

cuadrados. Los puntales

redondos son aquellos

leños naturales, cortados y

utilizados en su forma

natural.

Se prefiere los puntales

cuadrados cuando el

tamaño del tronco permite

aserrarlo para así obtener

diferentes puntales

SOPORTE SIMPLE DE GALERÍA CON PUNTALES

En la fig. se observa tres ventajas como una situación alternativa para galerías: (1) el

soporte del techo puede no ser necesario; (2) cuando comienza la explotación, la

necesidad de pilares para el techo y piso será eliminada y el mineral no quedará en el

sitio; (3) el tajeado interferirá menos con otra operación en la galería

• El puntal inicialmente tiene una rectitud perfecta(a), permanecerá recta mientras la carga P seamenor que la carga crítica Pc, en estas condicioneslas fuerzas internas y externas están en equilibrioestable.

Cabezales (plantillas)

ARMADO DE CUADROS DE GALERÍA

� Para cuadros de galería se

usan postes de más o

menos 8 pulgadas o

material de gran diámetro.

En los tajeos es suficiente

un material más o menos

de igual diámetro aserrado

a lo largo de dos mitades.

Si se nota presión vertical,

serán necesarios postes de

gran diámetro.

CONSTRUCCION DE ECHADEROS� Los echaderos de la fig (a) se usan donde el soporte del terreno

es innecesario. Generalmente es posible sostener el peso de la

columna principal de mineral roto sobre la roca sólida, mejor que

sobre el piso enmaderado del echadero

ENCRIBADO.

� En el terreno pesado o

descompuesto y fluido el

bloqueado que se ve en la figura

puede remplazarse o

suplementarse con un entablado

de eucalipto de 6 a 8 pulgadas de

diámetro por 5 pies de longitud,

rajado en forma tal que se tenga

de 4 a 6 piezas de forma

triangular. Este encribado es

firmemente sujetado entre el

encribado y las cajas. El

movimiento del terreno es

soportado por la compresión del

eucalipto

APLICACIÓN DE PUNTALES

� Los PUNTALES son los elementos más

simples y de uso más frecuentes en el

sostenimiento de labores mineras inclinadas

PUNTAL DE SEGURIDAD

El fenómeno de la

deformación en

estos puntales de

seguridad, va ser

mayormente por

aplastamiento

PIQUES VERTICALES E INCLINADOS

� La presión del terreno para

los primeros cientos de pies

de un pique es rara vez

importante. Los cuadros, ya

sean de madera, de acero,

anillos de concreto se

instalan para dividir la

sección transversal en

compartimientos; para tener

medios para instalar guías

para jaula o balde y para

prevenir caídas de roca en

el pique. El espaciamiento

entre cuadros es

generalmente de 5 pies de

centro a centro.

ENMADERADO CON CONJUNTOS DE CUADROS

PIQUES VERTICALES

� los cuadros son

diseñados ya sea para

cargar sobre el poste o

sobre el sombrero. Si la

carga del terreno actúa

bajo un ángulo tal que

los componentes

ejercen una fuerte

presión tanto sobre el

poste como sobre el

sombrero, entonces

será necesario un

cuadro más complejo

� PIQUES

INCLINADOS

Cuadros en desvío

Armado de cuadro en curvas

Cuadros

para

tajeos y

en

galerías

Paquetes de madera (woodpacks)

� Wood pack, son

paquetes de madera

que actúan como

pilares, reemplazando a

los pilares de roca.

Cuando los puntales de

madera no son

suficientes para

soportar el techo de

una excavación, una

alternativa de soporte

es el uso de paquetes

de madera

ContinuaciónLos tipos de sostenimiento con madera utilizados son:

• Wood pack, son paquetes de madera que actúan como pilares,

reemplazando a los pilares de roca.

• Cuadros, se utiliza para pasar zonas inestables en las galerías o stopes

cautivos, donde la potencia del mineral no supera los 3 m.

• Puntales, se utiliza en stopes. No es de uso constante.

Proceso de enmaderadoEl primer paso a ejecutar luego del disparo es eldesquinchado del techo y soltar así las rocaspeligrosas que pudieran caer sobre el personal.Luego de haber limpiado el material del disparo, elnuevo cuadro es sólidamente colocado en su lugar.Después de haber colocado el cuadro se avanzan lasinstalaciones de agua y aire para poder instalarnuevamente las perforadoras para el siguientedisparo.Obviamente este procedimiento hace más lento lavelocidad de avance, pero a menos que el terreno seamuy malo y requiera de listones de avance(Marchavantis) u otros métodos especiales, lospuntales y sombreros pueden estandarizarse yseguirse una rutina regular

Procedimiento para armar un

cuadro� Marcar el Centro de

la Labor: Identificar

los puntos de

dirección y colocar los

cordeles

suspendidos, orientar

los puntos al tope de

la labor, marcar el

centro de la labor.

Procedimiento para armar un

cuadro• Marcar los puntos de

gradiente: Colocar los

cordeles en los puntos

de gradiente y orientar

hacia el tope de la labor

Procedimiento para armar un

cuadro• Picar las Patillas:

De acuerdo a la

ubicación de los

elementos y del

comportamiento

del terreno, picar

las patillas con las

dimensiones

necesarias.

Procedimiento para armar un

cuadro• Colocar el

cuadro: Cortar

todos los

elementos de

acuerdo a las

distancias

obtenidas en el

picado de las

patillas.

Procedimiento para armar un

cuadroNivelación del cuadro:Colocados los postees y el

sombrero, colocar los

cordeles en los extremos

del sombrero. A la altura

del punto de gradiente

mediar las distancias del

poste al cordel.

Procedimiento para armar un

cuadro• Bloqueado y enrejado:

Nivelados los

elementos, bloquear en

primer lugar el

sombrero a las cajas y

luego colocar los

tirantes. Primero se debe

encribar el techo y

enrejar los hastiales