Sostenimiento en minas subterráneas mediante mallasromboidales de alambre de acero de alta resistencia:Una instalación segura, rápida y totalmentemecanizada

Patrick Schwizer, MSc. Ing. ETH, Gerente Regional de Geobrugg AG – Sistemas deProtección, Romanshorn / Suiza, patrick.schwizer@geobrugg.com

Andrea Roth, MSc. Ing. ETH, Director del Departamento de Amenazas Naturales deGeobrugg AG – Sistemas de Protección, Romanshorn / Suiza,andrea.roth@geobrugg.com

Augusto Alza, Prof., Ing., Gerente Técnico de Tecnología de Materiales S.A., Lima /Perú, aalza@tdm.com.pe

ResumenLos sismos y daños por “rockburst” (estallido y desplome de rocas) en mineríasubterránea de profundidad son amenazas comunes a nivel mundial, incluyendo elPerú. La mayoría de los sistemas de sostenimiento estándares no cumplen o sonlimitados en su capacidad frente a cargas dinámicas causadas por estas amenazas.Las mallas de acero de alta resistencia han probado su alto rendimiento y suidoneidad para su aplicación como sostenimiento contra voladura de roca o en casode estratos altamente deformables en pruebas estáticas y dinámicas realizadas por laWestern Australian School of Mines (WASM). Debido a la elevada resistencia delalambre de acero (min. 1770 MPa = N/mm2) y su aptitud de alta deformación de lamalla, este sistema de sostenimiento subterráneo es aplicable en ambientes degrandes solicitaciones de esfuerzos. Un brazo automatizado para desenrollar mallaromboidal de alambre de acero de alta resistencia fue desarrollado y probadoexitosamente en Australia para la utilización en trabajos de sostenimiento subterráneo.Este brazo, compatible con cualquier “jumbo” de perforación de brazos múltiples, sirvepara colocar la malla enrollada en un sistema de bobina. Dicho equipo sujetador de lamalla es ensamblado a un brazo del jumbo, mientras que la perforadora (“drill-rig”) o“split-set” para los anclajes es ensamblada en otro brazo del “jumbo”. La innovación enla colocación de malla romboidal de alta resistencia y la implementación mecanizadade “split-sets” o pernos (“bolts”) se realiza al mismo tiempo aumentando por tanto, laseguridad del personal minero así como la rapidez en la producción o desarrollo de lamina.

1 Introducción y objetivoEl sostenimiento primario en operaciones mineras subterráneas sin amenaza de“rockburst” principalmente consiste en malla electro-soldada y anclajes de fricción. Amayor profundidad, las minas sufren por aumento en la sismicidad y daño asociadopor “rockburst”. Para poder cumplir con esta amenaza, han sido introducidos “rockbolts” especialmente diseñados, con mejor capacidad de absorción de energía y deelongación. Este anclaje también se ajusta con ambientes de alta deformabilidad, sin

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embrago, entre los “bolts” se requiere una superficie de soporte y la única estrategiahasta el momento ha sido de utilizar fibras gruesas o concreto lanzado (“shotcrete”),reforzado por malla electro-soldada. Esta aplicación tiene la tendencia ser costosa ylenta en su instalación. Además, tiene un comportamiento muy rígido y reacciona poresto poco o insuficientemente a impactos dinámicos. La consecuencia es la repeticiónde dichos trabajos en caso de fallas.

Los paneles de malla electro-soldada son fáciles de maniobrar. Además, esta malla essuficientemente fuerte y rígida para prevenir desprendimientos y caídas de rocas demenor tamaño y para prevenir que se enrede del techo del túnel (y para consiguientela inestabilidad del mismo), pero esta malla no tiene la aptitud para poder absorbermayores impactos dinámicos. Las uniones electro-soldadas son quebradizas yusualmente se rompen primero, seguidas por falla del alambre cuando las cargas seaumentan.

Las mallas de simple torsión hechas de alambre de acero de alto límite elástico (min.1770 MPa = N/mm2) mostraron un desempeño alto y bueno en pruebas dedesprendimientos o caídas de rocas y de “rockburst”. Por la combinación de su altaresistencia y de su flexibilidad, la malla fue capaz de absorber la energía cinética,amortiguando así las masas de roca que impactaron. La resistencia alta de la malla esrequerida para poder transferir las fuerzas resultantes por un impacto de “rockburst”hacia los anclajes y para evitar punzonamiento a la malla por el impacto de las masasde roca.

Con el fin de usar esta malla de alto rendimiento como un producto estándar parasostenimiento subterráneo, ha sido necesario desarrollar un método seguro, rápido yautomatizado de instalación. El objetivo de este trabajo es de proveer a operadores deminas una solución eficiente y efectiva para poder instalar rollos de mallas romboidales/ simple torsión de alta resistencia. Además, fue considerado deseable que este nuevoequipo sujetador de malla (“mesh handler”) puede ser usado con equipo deperforación usualmente aplicado en minas subterráneas, obviando así la compra de“jumbos” nuevos.

2 Malla simple torsión / romboidal y de alta resistencia parasostenimiento subterráneo

La malla romboidal / simple torsión TECCO® es hecha de alambre de acero de altaresistencia con diámetro de 4 mm y con alto límite elástico del acero de 1770 MPa =N/mm2 en mínimo. Este alambre de acero de alto rendimiento tiene una resistenciaexcelente tanto a corte como a impactos. La apertura de la malla tiene formaromboidal y al lo largo de los bordes laterales del rollo, los alambres son doblados ydoblemente torsionados de manera que esta conexión es tan fuerte como la mallamisma (véase Figura 1 (a) abajo).

La malla es fabricada en rollos y puede ser manufacturada en anchos hasta 5 m y enlongitudes hechas a medida (véase Figura 1 (b) abajo). Por el uso de alambre de altolímite elástico, la malla es muy liviana en relación con su resistencia. Para laprotección contra la corrosión, el alambre tiene una capa especial de aleación dealuminio y zinc, lo que tiene una resistencia superior contra corrosión comparado agalvanización estándar en caliente.

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(a) (b)

Figura 1 (a) Geometría de la malla TECCO®; y (b) el suministro de la mismamalla en rollos

La geometría de dicha malla fue diseñada de manera que tenga una resistenciaaltísima a cargas de rotura y una característica de baja deformación, evitando así tantotasas inadmisibles de deformación o de desplazamiento como de enredarse despuésde un impacto de “rockburst”. Las propiedades de resistencia de la malla fuerondeterminadas en varias series de pruebas en laboratorio por Torres (2002) en laUniversidad de Cantabria en Santander, España. Las propiedades de la mallaTECCO® G80/4 con diámetro de alambre de 4 mm son resumidas en Tabla 1:

Tabla 1 Propiedades de la malla romboidal / simple torsión de alta resistencia:

Material / tipo de malla: TECCO® G80/4

Apertura de malla: 102 mm x 177 mm

Diámetro de alambre: 4 mm

Límite elástico (alto) del acero: Mín. 1770 MPa (= N/mm2)

Carga de ruptura del alambre individual: 22 kN

Resistencia a tracción de la malla 190 kN/m

Peso unitario de la malla 2.6 kg/m2

3 Pruebas con malla romboidal / simple torsión de altaresistencia

Para la determinación de las propiedades mecánicas de la malla de acero de altaresistencia, fueron realizadas pruebas extensivas tanto estáticas como dinámicas porla Western Australian School of Mines (WASM). Para el dimensionamiento del sistemade sostenimiento consistente de malla y anclajes, fue desarrollado un modelonumérico con base en elementos finitos, calibrado y verificado por el Swiss FederalResearch Institute (WSL).

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3.1 Pruebas estáticas

La respuesta estática de la malla romboidal / simple torsión de alto rendimiento fuedeterminado por trabajos de prueba en los laboratorios del WASM. La Figura 2muestra el resultado de 3 muestras individuales con tamaño de 1.3 m x 1.3 m de lamalla de alta resistencia tipo TECCO® G80/4 que eran sometidas a esfuerzos por unaplaca de acero de 300 mm x 300 mm. El sistema de prueba es descrito por Morton etal. (2007). La malla de alta resistencia TECCO® G80/4 (límite elástico de acero 1770MPa = N/mm2 mínimo) fue capaz de resistir cargas de 100 a 110 kN antes de fallar enla esquina de la placa de carga. En comparición, la malla electro-soldada falló con 40kN aproximadamente, y otra malla genérica simple-torsión hecha de acero de bajocontenido de carbono (límite elástico de acero de 450 MPa) falló por cargas de menosde 20 kN, aplicando el mismo principio de prueba. Todos tipos de mallas requieren uncierto desplazamiento al inicio para ser activados y sometidos a esfuerzos. La rigideztanto de la malla romboidal / simple torsión de alta resistencia como de la mallaelectro-soldada fue evaluado ser similar y depende más de las condiciones de sujeciónque del tipo de la malla.

Figura 2 Diagramas de esfuerzos y desplazamientos de 3 muestras individualesde la malla romboidal / simple torsión de alta resistencia TECCO®

G80/4 (prueba no. MT096-098 por Morton, 2008)

Se vio que la malla romboidal / simple torsión de alta resistencia aún puede resistir unaumento de carga en caso de falla de un alambre sin enredarse (Roth et al., 2004).Ruegger (1999) probó dicha malla en manera parecida a su aplicación en mineríasubterránea (con 4 anclajes y placas) y concluyó que la falla principalmente empezabaen los puntos de unión de la malla pero que la malla no era cortada por la esquina delas placas, dado por la calidad más alta de la malla comparado a la calidad más bajadel acero de las placas.

3.2 Pruebas dinámicas

Aplicando el método de “momentum transfer” (véase Player et al., 2004; Thompson etal., 2004) la malla romboidal / simple torsión de alta resistencia fue ensayada en lasinstalaciones de pruebas dinámicas de WASM (Player et al., 2008). La malla esinstalada en un bastidor de carga, dónde un peso de acero puede ser lanzado en

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caída libre desde alturas diferentes a la malla. La prueba dinámica es completamenteinstrumentada con cámaras de alta velocidad, celdas de carga y acelerómetros.

La Figura 3 muestra una secuencia dada por la cámara de alta velocidad, donde unamasa de 1000 kg (saco llenado con esferas de acero para rodamiento) impacta a lamalla romboidal / simple torsión de alta resistencia. Dicha malla se deforma deacuerdo con la carga aplicada y transmite las fuerzas al borde. Las condiciones desujeción son fijas / inamovibles para tener resultados repetibles y comparables.

Figura 3 Impacto dinámico de masa de 1000 kg a malla romboidal / simpletorsión de alta resistencia TECCO® (Player, 2007)

Bajo de esta configuración, la malla romboidal / simple torsión de alta resistencia fuecapaz de absorber energías hasta 10 a 12 kJ, lo que corresponde a frenar una masade “rockburst” de 1000 kg que había sido acelerada anteriormente a una velocidad de4.5 a 5 m/s. El valor mencionado representa solamente la absorción de energía por lamalla y no incluye ni amortiguación de energía por la masa de roca por si misma, nipor el trabajo de los anclajes. En comparición, las mallas electro-soldadas (condiámetro de alambre de 5.6 mm y luz de 100 mm entre alambres) mostrabancapacidades de absorción de energía en el orden de 1 a 2 kJ bajo el mismo sistemade prueba.

3.3 Modelo numérico

Para la modelación numérica, fue utilizado un algoritmo, capaz de manejardeformaciones largas y también impactos dinámicos,: un código con base enelementos finitos discretos (FEM) y un modelo con elementos de cables y entramado(red de puntos). Para la modelación (simulación) de impactos dinámicos, es aplicadala segunda ley de Newton junto con las propiedades de materiales de cadacomponente (“time-stepping”). El software FARO fue desarrollado por el Swiss FederalInstitute of Technology (ETH) y junto con el Swiss Federal Research Institute WSL(Volkwein et al., 2002).

La Figura 4(a) muestra la prueba estática realizada por Roth et al. (2004) con la mallade alta resistencia y una separación de anclajes de 1 m x 1 m, sometiendo la malla aesfuerzos por un bastidor de acero tensionado hacia arriba. Estas pruebas fueronutilizadas para calibrar el modelo numérico como se muestra en Figura 4(b). Con elmodelo del FEM calibrado es posible de llevar a cabo simulaciones dinámicas ypronosticar así fuerzas, modos de falla y deformaciones de diferentes componentes.

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(a) (b)

Figura 4 (a) Pruebas estática con malla; y (b) calibración del modelo numérico

Mediante un modelo numérico calibrado de un sistema de sostenimiento subterráneocon un tipo específico de malla de alta resistencia, es posible simular la respuestadinámica para cualquier configuración y esfuerzos. Se permite de ajustar losparámetros de entrada a los parámetros específicos de proyecto, y así, pueden serdeterminados tanto la distribución de los anclajes como las deformaciones máximas.Esto posibilita el dimensionamiento y un diseño adecuado para este tipo desostenimiento subterráneo contra esfuerzos dinámicos. Es muy importante tener unsistema de sostenimiento con componentes que tengan comportamientos similaresentre sí. Con el modelo numérico calibrado es posible de combinar diferentes tipos deanclajes con la malla de alta resistencia, y determinar así si trabajan juntos bajocondiciones dadas Por el hecho que siempre hay concentraciones de cargas en lasplacas de transmisión de fuerzas, pueden ser transmitidos esfuerzos mayores por eluso de placas especiales que permitan agarrar más alambres.

4 Instalación de malla romboidal / simple torsión de altaresistencia en túneles

La diferencia en la instalación de una malla electro-soldada y de una malla simpletorsión es la rigidez de los productos. La malla electro-soldada es relativamente rígiday es suministrada y aplicada en laminas. La malla simple torsión solamente es rígidaen una dirección pero permite rollarla en otra dirección. Por esto, aquella essuministrada en rollos (Figura 1) y tiene que ser instalada de manera diferentecomparada a la malla electro-soldada.

Muchas veces, se realiza una instalación manual de malla simple torsión medianteplataformas móviles de tijeras elevadoras o mediante carretas elevadoras armadascon cestos, pero esto requiere una labor intensiva. Por esta razón, se ha concebidouna nueva manera , consistiendo en un equipo sujetador de malla para desenrollarla ysujetara en la superficie del túnel mientras que sea anclada al macizo rocoso con elsegundo brazo del “jumbo”. Los objetivos principales fueron la rapidez y la seguridadde la instalación con el fin de cumplir con ambos requerimientos en minería moderna.

4.1 Instalación manual de la malla simple torsión

Para instalar malla simple torsión, hay que desenrollarla alrededor del perfil del túnel, ysujetarla a los anclajes. Muchas veces, durante la instalación manual, los anclajes sonpuestos antes de la malla que es después sujetada a los mismos. Para este propósito,

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han sido utilizadas plataformas móviles de tijeras elevadoras o carretas elevadorasarmadas con cestos (Figura 5).

(a) (b)

Figura 5 (a) Instalación manual de malla con plataforma móvil de tijeraelevadora (Villaescusa, 2003); y (b) cesto de instalación armado acarreta elevadora

Estos métodos tienen la desventaja de ser bastante lentos y requieren una laborintensiva. Además, es difícil llegar a la tensión óptima de la malla, lo que seríaimportante para minimizar mantenimiento y costos. Adicionalmente, los trabajadorestienen que instalar la malla en un ambiente todavía no sostenido (falta de “overheadprotection”) lo que no cumple con los últimos estándares de seguridad.

4.2 Instalación totalmente mecanizada con equipo sujetador de malla

Un equipo sujetador automatizado para rollos de malla romboidal / simple torsión deacero de alta resistencia fue desarrollado y probado exitosamente en Australia para lautilización en trabajos de sostenimiento subterráneo. Este brazo, compatible concualquier “jumbo” de perforación de brazos múltiples, sirve para colocar la mallaenrollada en un sistema de bobina. Dicho equipo sujetador de la malla es ensambladoa un brazo del jumbo, mientras que la perforadora (“drill-rig”) o “split-set” para losanclajes es ensamblada en otro brazo del “jumbo”. La colocación de malla y laimplementación mecanizada de “split-sets” o perno (“bolts”) se realiza al mismotiempo.

El primer brazo con el equipo sujetador de malla (Figura 6) puede sujetar el rollo demalla, y desenrollarlo a lo largo de la superficie del túnel (transversal al eje del túnel).Para ajustar la malla entre los anclajes, el brazo es armado con un sistema paratensionar y soltar la malla por rotación de la bobina hacia delante y hacia atrás enambas direcciones. Mientras tanto, el segundo brazo puede anclar la malla al macizorocoso. Esto es ejecutado paso a paso con el fin de tensionar la malla tanto como seaposible y así tenerla sujetada de manera correcta a la superficie del túnel.

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Figura 6 Equipo sujetador de malla montado a un brazo de “jumbo”

Este sistema reduce 1º el manejo manual, 2º la exposición de personal en zonaspeligrosas durante el proceso de instalación y 3º el tiempo de ciclo de sostenimiento.Aparte de esto se aumenta la calidad del sostenimiento tanto por el dimensionamientoy el diseño adecuado como por la aplicación de la malla de alta resistencia que es mástensionada y mejor adherida a la superficie de la roca, reduciendo además el efecto deenredarse o de conformación de bolsas.

Otro aspecto importante es que ningún personal es expuesto directamente a la zonatodavía no sostenida gracias al equipo mecanizado y por la aptitud del “jumbo” desostener la bobina con el rollo de malla TECCO® con un brazo, moverla hacia la zonade trabajo y manejarla allí.

4.3 Prueba de instalación in-situ

Para poner el equipo sujetador de malla en marcha y para probarlo, fue realizada unensayo en condiciones reales en una mina subterránea en el oeste de Australia conmalla romboidal / simple torsión de alta resistencia y con 2 m de ancho del rollo. Elequipo fue ensamblado a un “jumbo” tipo Sandvik con 2 brazos, que pertenecía yoperaba por la empresa de minería. El alimentador existente fue removido de uno delos brazos y el equipo sujetador de malla fue ensamblado allí. El circuito hidráulicoexistente fue utilizado para el control de función de dicho equipo nuevo (Figura 7).

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Figura 7 Prueba de instalación in-situ en una mina subterránea en el oeste deAustralia

Existieron unas dudas que la malla formaría bolsas y permitiría a bloques largos odetritus de rocas de acumularse allí. La prueba en circunstancias reales mostró que noera así, y tan pronto como la malla había sido anclada a los paredes y al techo detúnel, se notó que la malla seguía la superficie del macizo rocoso y que estaba biensujeta por la tensión aplicada en la instalación, lo que resultó en una textura suave yplana en la zona sostenida.

La prueba de instalación demostró que fue posible de instalar una malla romboidal /simple torsión del alta resistencia en menos tiempo que una malla electro-soldadaestándar aún cuando por primera vez el operador del “jumbo” utilizaba equipo nuevoen un brazo. Con la optimización del proceso de instalación, va a ser posible de tenerun ciclo de sostenimiento mecanizado con malla de alta resistencia aún más rápido,sin comprometer la seguridad de la operación.

5 ConclusionesEn base a pruebas exitosas con malla romboidal / simple torsión de alambre de acerode alta resistencia tanto estáticas como dinámicas, se verificó que dicho tipo de mallaes adecuado en áreas de “rockburst” o en ambientes de alta deformabilidad congrandes solicitaciones de esfuerzos. En contraste con concreto lanzado (“shotcrete”) oalternativamente reforzado con fibras (“fibre-crete”), el macizo rocoso queda visiblepara inspección por expertos, por ejemplo, en geología, geotecnia o mecánica derocas. Para un sistema de sostenimiento contra “rockburst”, tienen que ser escogidos

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tanto anclajes (“bolts”) como placas adecuadas para ser combinados con dicha mallade alta resistencia. Este sistema de sostenimiento puede ser dimensionado mediantemodelo numérico calibrado descrito anteriormente. Con el método de instalaciónmostrado, este tipo innovador de malla puede ser instalada fácilmente y aún másrápidamente que los métodos de sostenimiento subterráneo usualmente aplicados.

Debido a la aplicación mecanizada de la malla romboidal / simple torsión se reduce eltiempo de instalación del sostenimiento. Además, pueden ser utilizados “jumbos”estándares “multi-brazos”. Esta aplicación permite ciclos optimizados de trabajo yampliación de la separación entre anclajes. El mismo tipo de malla de alta resistencia,pero con diámetro más pequeño, podría ser utilizado como malla de refuerzo deconcreto lanzado (“shotcrete”).

Se concluye que tanto la malla romboidal / simple torsión de alta resistencia como suinstalación totalmente mecanizada puede aumentar considerablemente 1º laseguridad del personal minero, 2º la calidad del sostenimiento subterráneo instalado(incluyendo su optimización por el dimensionamiento apropiado y adecuado a lospotenciales mecanismos de falla), y 3º la rapidez y la eficiencia en el desarrollo de laoperación minera (producción).

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