INTRODUCCIÓN
Desde la antigüedad, el hombre viene explotando los recursos minerales que la naturaleza le ofrece. Generalmente, la metodología más barata consiste en la explotación desde superficie de los afloramientos de mineral con el sistema conocido por cielo abierto. Otras veces, la disposición de la capa o del filón de mineral obliga a su explotación subterránea. Mientras el mineral no se encuentre a excesiva profundidad, el método de extracción de mineral más habitual es por ejecución de rampas, galerías y túneles que permitan el acceso hasta la zona de minado. Hay momentos en que esta distancia se hace excesiva debido a la profundidad a la que empieza a encontrarse el mineral. Esto se acentúa aun más cuando los sondeos diamantinos que se efectúan desde dentro de las explotaciones acceden a nuevas zonas aun más profundas en las cuales el mineral está presente. Llegado este momento, uno se ve obligado a
replantear el sistema de extracción. La alternativa más usual es emplear un sistema de pique vertical que permite el acceso de los operarios a las zonas más profundas de un modo más rentable y rápido, extrayendo el mineral por izado de vagones o skip, bien hasta superficie, bien hasta niveles intermedios. Por ello es frecuente que ciertas minas, a medida que transcurren los años y ven que sus reservas minerales van quedando
cada
vez
más
profundas,
se
replanteen
la
sustitución de su sistema de extracción habitual por el de izado por piques.
También
cabe
comentar
que
las
técnicas
actuales
de
exploración mediante sondeos diamantinos que alcanzan grandes distancias permiten cubicar las reservas existentes más profundas y con mayor exactitud, pudiéndose por tanto planificar la mina con más rigor y decidir de antemano qué tipo de equipamiento va a ser el más adecuado para la extracción del mineral durante toda la vida de la mina. Esto es lo que sucedió en el caso de la Hullera Vasco Leonesa, de la que se habla en este trabajo, en la cual el mineral, investigado con los sondeos de exploración, se encuentra a tal profundidad que obliga al empleo de dos nuevos piques verticales. La
S.A.
Hullera
Vasco-Leonesa,
empresa
íntegramente
privada, explota una mina de carbón desde hace más de 100 años en el norte de España, en la provincia de León. En la última década se ha dedicado a preparar una nueva mina, vista la cercanía del agotamiento de las anteriores. Este proyecto, el mayor de Europa de esta naturaleza, supone una
inversión total cercana a los 50.000 millones de PTA (300 millones de euros). La primera parte del proyecto consistió en la ejecución de dos piques verticales, y simultáneamente con esta obra, se realizó un conjunto de unos 2700 m de galerías y planos inclinados, correspondientes a la primera fase de preparación. Estos 2 piques tienen 6,5 m de diámetro útil y 664 y 694 m de profundidad. Como peculiaridad, cabe citar la baja calidad geotécnica de los terrenos atravesados durante la excavación de ambos. El pique Aurelio del Valle dispone de una torre de extracción de 51,2 m de altura, dotada con polea Koepe y máquina de extracción situada dentro de ella. La profundidad del pique es de 664 m, arranca en superficie m.s.n.m.
y
tiene
3
de
la
cota
1166
embarques en las cotas 976, 737 y
553 m.s.n.m, desde los cuales se accede a los diferentes niveles de la explotación. Su realización comenzó el 14 de noviembre de 1991 y finalizó en mayo de 1994. La misión del mismo es la de entrada de aire limpio de ventilación, entrada y extracción de personal y
vagones de materiales, y trasvase de mineral mediante skip entre el nivel inferior (P553 m.s.n.m.) hasta un nivel intermedio (P976 m.s.n.m.), situado a 190 m de profundidad, y desde donde el mineral es vertido a una tolva que descarga sobre una cinta transportadora que lo lleva hasta el lavadero. En la Figura 1, que aparece a continuación, se puede observar una sección del pique Santa Lucía, hoy llamado pique Aurelio del Valle, con la disposición inicialmente prevista de carga .
El pique Emilio del Valle emplea un castillete de 32 m de altura, con máquina de extracción situada en el nivel de suelo y polea Koepe. Tiene una profundidad de 694 m, arranca de la cota 1.280 m.s.n.m., y tiene 4 embarques, situados a las cotas 978, 868, 741 y 615 m.s.n.m. Su misión es la de permitir el transporte de personal y materiales a los diferentes niveles de explotación, así como la extracción del aire viciado de la mina mediante un sistema de ventiladores aspirantes. Se comenzó a ejecutar el 17 de diciembre de 1991 y se finalizó en mayo de 1.994.
METODOLOGÍA GENERAL PARA LA EJECUCIÓN DE PIQUES VERTICALES
PARÁMETROS INICIALES
Primero se procedió a realizar una campaña de exploración para evaluar las reservas del yacimiento. Para ello se efectuaron unos 57.000 m de sondeos, varios de ellos con profundidades próximas a los 1000 m. A continuación se interpretaron los mismos y se hizo un estudio geológico detallado y un modelo del yacimiento con las zonas susceptibles de ser explotadas. El yacimiento, como se puede ver en la Figura 4, consta de 2 zonas perfectamente diferenciadas, que son dos sinclinales de alta complejidad denominados Llombera y Matallana. El total de reservas de mineral es
de: 14,8 Mt muy probables, 75,7 Mt son probables, 55,7 Mt son posibles y 61,5 Mt son hipotéticas. La producción permitida es de 2,5 Mt/año. Una vez definido el yacimiento, se procedieron a estudiar los diferentes sistemas de extracción posibles, analizando sus ventajas, inconvenientes y posibles inversiones. Finalmente se decidió que unos de los sinclinales, el de Llombera, podía ser explotado con una producción de 3000 t/día, extrayendo el carbón con cintas transportadoras por un plano inclinado de 14º de pendiente. En cuanto al personal y materiales, iban a ser introducidos y extraídos por jaula a través de un pique vertical. El otro sinclinal, el de Matallana, debería dar 5.500 t/día y el mineral será transportado con vagones o con cintas transportadoras (según la zona) hasta una tolva de acopio, la cual descargará sobre un skip que transportará el mineral hasta otro nivel superior. Con estos parámetros se comenzó a diseñar la mina y a buscar la ubicación más adecuada para los piques verticales y resto de infraestructuras. Para confirmar que la posición de ubicación asignada a los piques era la idónea, se procedió a perforar un sondeo vertical según el eje del pique y de su misma longitud, de modo que así se pudiera saber con más exactitud los terrenos que se iban a atravesar, acuíferos, fallas, etc. La metodología seguida para diseñar el sostenimiento de los piques verticales fue, por tanto, la siguiente:
1. Establecer el modelo geológico del yacimiento y de la roca de caja que puede tener influencia en las obras por ejecutar: a. Realizar sondeos. b. Realizar mapa geológico. c. Determinar las características geológicas. 2. Realizar el modelo geomecánico de la zona influyente: a. Ensayos sobre los testigos extraídos.
b. Establecer las propiedades geomecánicas de los diferentes litotipos y de las discontinuidades. c. Establecer los criterios de rotura de rocas. d. Medición de las tensiones naturales del macizo rocoso. 3. Caracterizar el macizo rocoso. 4. Diseño inicial de la obra. 5. Diseño inicial del sostenimiento y del modelo matemático. 6. Análisis de los problemas que se pueden presentar. 7. Rediseñar la obra. 8. Puesta en marcha de la obra: a. Establecimiento de criterios iniciales. b. Organización del seguimiento y control de la obra.
c. Selección y adquisición de la instrumentación de control. d. Determinación de las campañas de auscultación y medición. e. Establecimiento de un control de calidad de ejecución de obra y de materiales empleados. Con ayuda de este sondeo inicial, se determinó que uno de los piques no estaba en la posición más adecuada, por lo cual se procedió a desplazar su eje del inicialmente previsto. También se obtuvieron importantes datos sobre los terrenos por atravesar, de los cuales cabe destacar que el terreno iba a estar formado en su mayor parte por lutitas blandas y areniscas, con algún nivel de carbón y que, en el caso del pique Aurelio del Valle, se atravesaría un tramo de conglomerados. Se determinó también que este pique iba a atravesar una falla importante a los 215 m de profundidad (en contacto con la cual había 6 m de carbón sucio) y otra a los 365 m (acompañada de 7 m de carbón plegado y
arrastrado). Algo similar se determinó para el otro pique. En cuanto al buzamiento de los terrenos estaba comprendido entre 30º y 80º. Respecto de las tensiones horizontales a las que iba a estar sometida la excavación, éstas eran entre 1 y 1,7 veces superiores a las verticales. Por último se determinó que, empleando la clasificación de Bieniawski, los terrenos atravesados iban a ser en 228 m de longitud entre muy malos y malos con RMR menor que 20, en 127 m de longitud malos con
RMR entre 20 y 40, en 119 m medios con RMR entre 40 y 60 y en unos 151 m de longitud el RMR estaba en un rango comprendido entre roca mala y media. Los piques tienen las siguientes zonas bien definidas y determinadas: brocal (boca del pozo), antepozo, pozo y embarques.
OBJETIVOS Los objetivos para el diseño del pique se basa a los aspectos geomecánicos. - Desarrollar la mina en profundidad. - Incrementar las reservas y vida de la mina. - Generar utilidades, trabajo y aporte al estado - Duración del pique en función con las reservas que debe extraerse. - La evaluación geomecánica nos garantiza la duración de labor sin sobre dimensionar la sección y el sostenimiento (óptimo diseño y desarrollo). - Sección rectangular 3 x 1,5 mts. Siguiendo el buzamiento de la estructura mineralizada.
ASPECTOS GEOLÓGICOS DEL MACIZO ROCOSO GEOLOGÍA: Las minas generalmente está compuesto fundamentalmente de andesitas, también acompañado de rocas volcánicas las cuales forman las rocas de caja.
LITOLOGÍA: Esta compuesta por rocas piro clásticas, rió líticos, riodacitos y andesitas; estas rocas son de condición estable, pero también existen zonas de callamiento los cuales son inestables.
ASPECTOS GEOMECÁNICA PARA EL DISEÑO DEL PIQUE La apertura de una labor subterránea altera el campo de esfuerzos existentes en el macizo rocoso al profundizarse las labores se incrementan las presiones que llegan a producir esfuerzos que exceden la resistencia de las rocas, siendo necesario instalar el sostenimiento (refuerzo o soporte
El pique de extracción es la parte mas importante minería subterránea y por el cual pasan todos los suministros para la explotación tales como ventilación ,transporte de mineral ,suministros y personas. Electricidad, aire comprimido, agua, bombeo.
Dada su importancia, debe de escoger su ubicación adecuadamente, su diámetro, el método de profundización, el recubrimiento de las paredes del pique, el brocal, los enganches en los niveles y la maquinaria de extracción . La capacidad del pique se diseñara pensando en posibles ampliación de `reducción posteriores
SELECCION DE LA UBICACIÓN DEL PIQUE
Los piques de extracción no deben de ser afectados por las inundaciones, y para ello se analiza la máxima venida de los cien años .También deben de situarse demasiado próximo a las carreteras de gran circulación, ni en entornos industriales que puedan ser objeto de incendios con gran producción de
humos. En los parajes boscosos con árboles incendiables,se talara un radio de unos 100 mt y se eliminara la vegetación que puedas incendiarse, todo ello con el fin de evitar que entren humos en la ventilación. Se analizaran todas aquellas cuestiones externas que pudieran poner +en peligro la vida de los trabajadores y la integridad de la mina y que puedan influir en la decisión sobre el emplazamiento del pique. El numero mínimo de piques que deben de excavarse para la explotación son como mínimo dos; para producción , personal, entrada de materiales, equipos y aire. El otro pique es para el retorno del aire y como via adicional de escape. A veces es necesario la excavación de tres piques cuando la extracción de la mina no permita una adecuada ventilación con dos piques . Cuatro piques serán necesario cuando la producción doblen aproximadamente la capacidad de eventualmente mina de dos piques con la mitad de producción .
DOS PIQUES La posición central de los piques tienen las ventajas de menores costos de transporte y recorrido menores de aire y de ventilación .Los pique deben de estar separados a menos unos 100 mt . Sin embargo la nesecidad de dejar unos macizo de protección importantes reduce la reserva explotables en
yacimientos tabulares monocapa a
profundidad moderada es la ubicación mas eficaz.Una localización lateral ,a muro del yacimiento incrementa los costos de transporte y las distancias de ventilación, pero no se hace imposible la explotación de la parte de las reservas mineras por la existencia de los macizo de protección de los piques . El eje de la unión de los piques será paralelo a la dimemcion máxima del yacimiento, y sin los piques son rectangulares el eje mayor se pondra perpendicular a la corrida de la capa del filón, a la esquistocidad , a los planos de sedimentación , y a los esfuerzos teutónicos regionales y planos de expoliación de las rocas en presencia.
TRES PIQUES E l pique principal suele tener un diámetro mayor (7 a 8 mt) que los auxiliares de ventilación (5 a 6 mt).
Si el pique principal se pone en el centro de gravedad del yacimiento , los piques auxiliares se colocaran en los extremos de la dirección de la corrida siempre que la longitud de la concesión minera de esta dirección sea 2 a 3 veces mayor que en la dirección de buzamiento. E n el caso de un yacimiento masivo, estrecho,alargadoen el sentido de la corrida , el pique principal se sitúa en el centro u a muro ; loa pique auxiliares se ubican en los extremos y fuera del yacimiento. S i el área a minar se alarga en el sentido del buzamiento ,el pique principal y uno de los auxiliares se colocan en el centro del yacimiento , mientras que el segundo pique auxiliar se colocara en la zona del yacimiento mas próxima a la superficie.
CUATRO PIQUES En este caso el pique principal se usara para extraer la producción y como entrada , el segundo pique para personal y entrada de materiales y los otros dos para ventilación . Los cuatro piques serán de igual diámetro. Loa dos primeros se colocaran en posición central y los dos de ventilación en posición extrema en la dirección de la corrida .
Si el yacimiento es alargado en la dirección del buzamiento ,tres piques se colocaran en el centro y el cuarto en la zona en la que el yacimiento esta mas próximo a la superficie.
DIAMETRO DEL PIQUE En el pique principal o de producción el diámetro se evalúa de modo que sea el mínimo para la circulación de las jaulas o skips y para dar espacian a los conductores eléctricos , de aire comprimido , de agua fresca, de ventilación, bombeo y relleno en su caso y para la escala de escape de emergencias realiza un plano de la sección del pique y dibujan la sección y la disposición de cada uno de los elementos anteriores, adaptando en lo necesario el contorno del pique. Se tendrá en cuenta las distancias mínimas a considerar entre los elementos móviles y los parámetro del pique.
S e comprueba que la cantidad y la velocidad de aire de ventilación son las especificadas. El volumen de los skips se estima de forma siguiente.
Q
=
KTW 3600t
K es un factor de seguridad = 1.5 para dos skips y = 1.25 para solo un skips o jaula T=t1+t2 es el tiempo total en el ciclo en s, (t1 es tiempo de funcionamiento, t2 es el tiempo de parada ).
El volumen del skip es:
P= Q
Densidad Donde densidad es la densidad aparente de la carga de mineral en t/ m3. Para carbón Se toma 0,8 a 0,85 y para minerales 1,4 a 1,5.
Basándose
en estas estimaciones y cálculos
consideraciones previas, KF
y teniendo en cuenta las
Unrug propone el adjunto ábaco para la
evaluación de los principales parámetros del pozo.
REVESTIMIENTO DEL PIQUE El revestimiento del pique cumple las misiones de servir de soporte a los equipos y sostener las paredes. En los piques modernos de sección circular o
elíptica
el revestimiento
se hace de hormigón
armado con un espesor
mínimo de 20 cm , aunque en piques de sección rectangular perforados en rocas competentes puede usarse revestimiento de madera . Antiguamente se ha usado revestimiento de ladrillo o de bloque.
Las ventajas del hormigón son que puede conseguirse resistencias altas de hasta 50 Mpa y que puede impermeabilizarse para presiones hidrostáticas no demasiado elevadas de los niveles freáticos.
Normalmente el revestimiento no se calcula en piques realizados en rocas duras ya que la resistencia del hormigón es es inferior a las tenciones de la roca , por lo que el hormigón no debería estar sometido a presiones del terreno , Sin embargo el brocal y la parte de pique excavado en el terreno de recubrimiento si pueden estar sometidos a tales esfuerzos del terreno o de la presión del freático . La presión del agua se calcula fácilmente como la altura máxima de la columna del agua , y la presión debida a terrenos no cohesionados (arenas) como el producto altura x por densidad . Si los terrenos
están
cohesionados
conviene recurrir
a un especialista
en
geotecnia o mecánica de suelos. Para calcular el espesor de hormigón del
brocal y del revestimiento en el recubrimiento se utilizan las siguientes expresiones:
d= (√(RC/RC-2pf ) -1 En el caso de que se considere que la presión se aplica de golpe provocando una reacción elástica del hormigón (formula de Lame ), o bien
d= (√(RC/RC-2pf1/2 ) -1
d= espesor del revestimiento en m r= radio interior del pique en m Rc= resistencia del hormigón en Mpa P= presión externa que actúa sobre el hormigón en Mpa F= 2, coeficiente de seguridad respecto de la tensión de comprensión.
Para el calculo del revestimiento del brocal y del recubrimiento es prudente suponer que la columna de agua llega hasta la superficie y que al menos el
70 % de la presión máxima teórica del terreno activo se aplica a lo largo de toda la embocadura del pique.
Equipos Los equipos que se utilizan en la construcción del pique son los siguientes: - 3 bombas de achique sumergibles, una neumática y 2 eléctricos. - Una bomba Swllex para instalación de pernos.
- Una perforadora Jack Leg. - Dos pies de avance de 1,20 y 1,60 m. - Un Rick Hamener, para la remoción del material fracturado. - Un ventilador de 7,5 HP, con manga de 16 pulg. sostenimiento Para determinar los parámetros de sostenimiento tales como: - Longitud de pernos - Densidad de pernos - Resistencia de los pernos a las cargas que soporta. A continuación se realizarán los siguientes cálculos y se describen las características al utilizar pernos swellex como refuerzo.
SOSTENIMIENTO PROVISIONAL
Como el personal esta expuesto a la caída de las rocas al avanzar en profundidad el pique, el sostenimiento provisional de las paredes es esencial. Por lo general este sostenimiento provisional esta constituido por
cuadros
metálicos
de
perfiles
en
U,
llamados
Enviguetados. Toman la forma exterior del pozo y están conformados por 4 o 5 piezas unidas por pernos. Detrás de ellos se suelen colocar planchas metálicas ajustadas por medio de cuñas, rellenando los vacíos entre la pared y planchas metálicas con madera o roca para asegurar un buen ajuste.
SOSTENIMIENTO DEFINITIVO Se utiliza madera redonda o escuadrada, ladrillos, hormigón armado y/o dovelas (estructuras PRE-fabricadas en forma de cuña a fin de empalmarlos y asegurarlos con pernos ) ; también se utilizan pernos de anclaje.
Estibación con cuadros normales
Se constituye de abajo hacia arriba, en tramos de una altura de 10 a 12 metros entre cuadro de asiento Transversalmente, sus cuadros de asiento encajan en patillas preparadas en las caras y encima ensamblan los travesaños transversales en muescas practicadas. Longitudinalmente, se usa longarina de 2 a más metros de longitud, formando el cuadro normal. Interiormente, y de acuerdo al diseño, puede ser dividido en 2 o mas compartimientos, gracias a los postes o puntales y travesaños, contando además con las guiaderas. Los cuadros de asiento soportan parte del peso de los cuadros corrientes que descansan sobre ellos, siendo la otra parte del peso de los cuadros corrientes que descansan sobre ellos, siendo la otra parte anulada por las fuerzas de fricción y adherencia a las rocas de las paredes del pique.
Los puntales son de 15*15 o20*20 centímetros de lado, de 2 a mas metros de longitud, fijados verticalmente a lo largo del lado mayor de los cuadros del asiento ( longarinas) por medio de tornillos. Los travesaños son riostras (piezas que aumentan la rigidez e inderformabilidad de cuadro) horizontales, cuyos extremos debidamente (destajados), se insertan en las muescas de los puntales. Su misión es asegurar las guías de los baldes/skips.
Las guías son elementos de la armazón fijados a los travesaños por medio de pernos en forma ininterrumpida a lo largo del pique y sirve para guiar las vasijas de extracción. Son vigas de madera y con dimensiones similares a los puntales.
ENTIBACION CON CUADOS SUSPENDIDOS O COLGANTES
Los cuadros son confeccionados de arriba hacia abajo. Los lados transversales del cuadro de asiento van empatillados en
las caras de la chimenea, cada 5 a 10 cuadros o mas, Los divisores y puntales o postes van siendo ensamblados a altura de 0.80 a 1.60 metros. Cada cuadro esta suspendido al inmediato inferior por medio de varillas de acero de 20
a 30
mm de diámetro. Estas
suspensiones se insertan a través de agujeros taladros en las longarinas del cuadro y se sujetan por medio de arandelas y tuercas.
Las paredes de los pozos serán revestidas con tablas, silo requiriesen.
ESTABILIDAD DE BLOQUES ANCLADOS P = Peso muerto del bloque
α = Angulo del perno con la horizontal en grados. β = Angulo del perno con la horizontal, en grados
φ = Angulo de fricción con la superficie de la en grados.
RS = Fuerza de fricción en kg.
PC = Fuerza axial que se da al perno en kg µ = Factor de seguridad
∑ = Suma de fuerzas que se ponen al movimiento en kg. R
N α = Fuerza normal a la superficie de la grieta debido al peso muerto del block. F α = Fuerza que provoca el movimiento en Kg. Calcularemos la fuerza de sostenimiento n=2
α = 60 L = 1,5 φ = 25º β
= 30º
γ = 2,5 ton/m3. PC =
1 L sen α cos α x 1 x γ 3
PC = 3,92 ton. Longitud de pernos (1) Lechos fuertes = 1 = 1/3L Lechos débiles = 1 = 1/2L L =ancho del túnel. Espaciamiento de los pernos (b)
b =
2 2 l = L 3 9
D l max =
Rmax b2 γ
Rmax = capacidad máxima de soporte de carga del perno, en metros. Diámetro de Pernos Rmax = Fa F R =
Rmax R
=
0,785 d 2 Fa n
R = Fuerza axial permitida en el perno en kg. Fa = Esfuerzo en el límite elástico (pto cedente) del acero, en kg/cm2 F = área del perno en cm2 d = Diámetro de pernos en cm. Densidad de los pernos.- Es el número de pernos por metro cuadrado lo cual lo más usual es que se tome este número como número 1. Como ya se sabe: - Ancho de abertra = 3
- Condición de techo = fracturado - Roca de techo = andesita - Espesor de techo inmediato = h = 1,75 m
- Densidad de techo inmediato = γ = 2,5 ton/m3 - Distancia entre la itens de perno c=1m
Cuando el techo inmediato que va a separarse del techo principal la longitud del perno debe ser mayor al espesor por lo menos 0,5 m. Entonces l = 1,75 + 0,5 L = 2,25 m El número de pernos se calcula como sigue: =
mR
L hcγ R
≥
L hc γ n 0,785 d 2 Fa
Si d = 2,5 cms de resistencia 37 (Fa = 2,900 kg/cm2) n=2 m =
3 x 1,75 x 1 x 2,5 x 2 0,785 x 24000 x 0,02 J 2
= 2,2 ≅ 3 Entonces los cálculos geomecánicos se determinan los siguientes parámetros de sostenimiento del pique. - Usar pernos Swullex de 7 pulgadas de longitud para la parte central y 5 pulgadas para los estiales. - Espaciamiento entre pernos debe ser 1 m. - Usar malla en condiciones que la caja sea altamente --------------
- 1 instalación pernos.
Descripción de los materiales a utilizar en el sostenimiento Malla metálica Se utilizarán malla de 2’’ x 2’’ de cocado, las mallas tienen un ancho de 2,5 , x rollo de 20 m y se fijaran en el techo por los mismos pernos de anclaje. Swellex Se emplearán según las técnicas de diseño de 7 pies de longitud y el espaciamiento de 1 m como máximo se instalarán cada 3 disparos.
Cuadros Además del sostenimiento con pernos y malla se reforzarán con cuadro de madera de 20 x 20 cm de sección solamente cuando se atraviesa terrenos malos como terrosos o de alto fracturamiento. Perforación y Voladura Para la perforación emplearemos la máquina Jack Leg con barrenos de 4 pies, se perfora el frente completo en corte quemado
con arranque de 4 taladros y un taladro de alivio, la malla cubre de 28 a 32 taladros cargada según el comportamiento de coestructura, para la voladura se utiliza detonadores no eléctricos, en el caso de que se utilice
detonadores
eléctricos
se
usarán
explosivos
para
detonación.
El personal utilizado es de un perforista y dos ayudantes. El carguio se realizará manualmente. Plantilla de Perforación
su
Sección rectagular α 3 x 1,5 Nºt = (P/e) + K S Donde: e = Espaciamiento P = Perímetro de sección frente K = Coeficiente factor de roca S = Área de frente
Tipo Roca dura
e 0,5 – 0,55
K Nt = (9,0/0,5) + 2 x
Roca
0,60 – 0,65
4,5 Nt = 2,3 tal
intermedio Roca suave
0,7 – 0,75
Nt = (9,0/0,5) + 2 x 4,5 Nt = 2,3 tal. Características de Perforación del Pique Nº de Taladros perforados = 29 Nº de taladros cargados = 28 Longitud del taladro = 4 pies Tipo de corte = quemado de 5 taladros
Explosivo = Explogel amon Cargado de Taladros Arranque = 4 taladros x 5 cartuchos
= 20
Ayudas
= 20
= 4 taladros x 5 cartuchos
S. ayudas más cuadradotes = 8 tal. x 4 cart. = 32 Alzas = 7 tald. X 3 Cart.
= 21
Arrastre = 5 tald. X 5 cart.
= 25
Total
= 118.
Consumo De Cordón detonante = 12 m IZAJE Para el izaje del mineral roto se realiza manualmente hacia el skip se utiliza 3 personas, el winchero y dos paleros, el izaje se realiza hasta el nivel de extracción. El skip se moviliza sobre rieles las cuales contará con señalización de luces en cada nivel (luz roja subiendo, luz verde bajando) también contará con timbres para indicar el accionar del winche (1 parar, 2
subir, 3 bajar, timbrado continuo emergencia), también
contamos con red de teléfono. Estos serán accionados mediante winchas eléctricos de bobina monocable de cara THERN de 15 HP de potencia en una capacidad de izaje de 5 toneladas, con una
longitud de enrollamiento efectivo de 350 mt. Y una velocidad constante de 3 mt/seg. La capacidad del skip es de
1,5 ton.,
hechos de planchas de acero. Desagüe Se tiene un caudal de 400 galones /min por lo tanto para la perforación en condiciones optimas es necesario bombas eléctricas para el achique rápido del caudal abundante y una bomba neumática de diafragma para mantener el agua lo más bajo posible, estas bombas bombean a un tanque de rebombeo ubicadas en un nivel próximo. Ventilación Para la ventilación del pique por seguridad se instala un ventilador secundario en el nivel más próximo de 7 HP con manga de 16 pulg. ORGANIZACIÓN DE LOS TRABAJOS a) Perforación y limpieza b) Anclaje de la cama c) Instalación de servicios d) Sostenimiento Todos estos trabajos se realizarán mediante 2 guardias cada uno de 8 horas diarias.
SECUENCIA Y CRONOGRAMA DEL AVANCE El pique está programado 20 m/mes. Este pique está programado para un tiempo de duración de 7 semanas tal como muestra el cuadro Actividad
Tiempo en Semana 1 2 3 4 5 6 7
Piques
ENTRADAS HORIZONTALES AL PIQUE
Las entradas de los piques de ventilación, sin maquinaria de extracción, deben calcularse en función de la mínima resistencia a la circulación del aire. Las dimensiones de las entradas en los niveles de un pique de extracción se calcularan de acuerdo con el ancho y el numwero de skips y jaulas que se eleven a ese nivel, numero de pisos por jaula y la longitud máxima de los equipos y suministras que deban descargar en el nivel. Además se comprueba que la sección eficaz
es suficiente para la ventilación requerida: las
velocidades de aire recomendadas son de 4m/s para los piques de producción y de 8m/s para los piques de ventilación. En la entrada del nivel se debe prever espacio para los empujadores, giro y volteo de plataformas y vagonetas, galerías para entrada y salida simultaneas de personal de las jaulas multipiso, nichos para equipos de control, by pass alrededor del pique. Etc.
La altura de la entrada del nivel se determina por la máxima longitud de los objetos transportados como, por ejemplo, los carriles de las vías.
PROFUNDIZACION DE PIQUES
D e todas las aperturas realizadas en las minas de piques son las obras mas costosas en tiempo y dinero. Además la profundización de piques es un procedimiento complicado. A aunque algunos piques se perforan mediante sondeos de gran diámetro, en la mayoría se emplea el método tradicional de perforación y voladura, bien de sección rectangular con sostenimiento con madera , bien de sección circular con sostenimiento con hormigón, que es hoy lo comúnmente empleado y recomendado a contratistas externos para ello. Excepto a grandes profundidades,
los
piques
perforados
en
roca
consideraciones especiales para el mantenimiento
dura
no
requieren
de la estabilidad del
parámetro . Loa piques se perforan de arriba hacia abajo, aunque en minas ya existentes a veces se realiza de abajo hacia arriba.
PROFUNDIZACION DE PIQUES POR EL SISTEMA TRADICIONAL
Cuando se trata de minas ya establecidas com. piques gemelos de operación de profundización se facilita ya que se reprofundiza el pique auxiliar y con una galería se llega a la proyección del pique principal y se sube con realce en sección estrecha que ensancha bajado .Para proteger el personal se deja un macizo de 5 a 10 mt en el fondo del pique que se destruye en ultimo momento. Con un solo pique es mas frecuente trabajo en caldera descendente o en calderilla, para lo cual se construye un techo de madera bajo el cual se trabaja, Cuando el terreno es suelto y descompuesto y la venida de agua importante
se emplea métodos especiales que se encargan a empresas
especializadas.
DIVICION DE PIQUES EN COMPARTIMIENTOS
Unas ves perforadas y revestidas, se instalan en el pique los diferentes elementos necesarios para la operación. En primer lugar se instalan las traviesas y los guionajes. El pique se divide en compartimientos y se instala las jaulas y skips definitivos. Se dotara al pique de escala de escape y de la plataforma de salida. La tubería de ventilación estar en su compartimiento así como la tubería de agua .aire comprimido, de evacuación del bombeo, de energía, de introducción de relleno, y alguna conducción de respeto.
ENGANCHES
Se llaman así a las galerías que en los niveles, enlazan al pique con los transversales y sirven para las maniobras de carga y de descarga .En los enganches de interior cuando se utilizan vagonetas, se realiza la recepción de los vagones cargados, desenganchado de los mismos, carga y descarga de las jaulas, reunión de vagones vacíos y formación de trenes, tanto vacíos como con material y para circulación de material. En el de superficie hay que cargar y descargar las jaulas. Pero los vagones circulan sueltos en dirección a los basculadores o al almacén y vuelven vacíos o con material. En cualquier caso se utiliza la gravedad para ayudar al movimiento de los vagones y además cables, cadenas rastreras , empujadores ,o bien .frenos y topes. Los enganches para skips tienen ventajas sobre de los vagones .La capacidad de extracción es mayor, el costo de la instalación es menor, menos perdidas de tiempo, automático mas fácil y menos personal de operación. Sin embargo, desmenuzan más el mineral, las excavaciones son mayores para alojar tolvas, producen más polvo y vertidos a la caldera del pique durante la carga de los skips.
CALCULO Y DISEÑO
El calculo y diseño de los principales miembros estructurales (divisores y guías de skips, jaula y contrapeso) se ha efectuado por el método de esfuerzos permisibles (diseño elástico). El diseño estructural se puede definir como un arreglo de elementos estructurales aplicado a casos específicos y que deriva de la experimentación teórica y practica ira dar una solución real y económica y segura a una estructura, incluyendo todos los detalles que permiten su fabricación.
Secuencia del análisis estructural a.-Dimensionamiento preliminar B.-Consideraciones de diseño C.-Determinación de cargas actuantes D.-Cálculo de momentos factores
E.-Selección de perfil adecuado F.-Verificación de esfuerzos G.-diseño final.
DIMENCIONAMIENTO PRELIMINAR
Para establecer la distribución de las estructuras así como los puntos de aplicación de las diferentes cargas hemos efectuado, como primer paso, el dimencionamiento preliminar
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Para el calculo y diseño de estas estructuras hemos utilizado las propiedad físico-mecánicas ( punto de influencia, resistencia ultima, limites de proporcionalidad, soldabilidad, tenacidad, densidad,etc.) del acero estructural ASTM-A36, cuyo limite de fluencia es Fy=36 psi. Para los miembros en tracción hemos considerado el esfuerzo unitario permisible (Ft) igual a: Fb=0.66 Fy. Para los miembros en tracción hemos considerado el esfuerzo unitario permisible a: Fb=0.66 Fy.
Para otras informaciones complementarias tenemos la serie de códigos, especificaciones y normas dadas por el instituto Americano para construcciones de acero.
DETERMINACION DE CARGAS ACTUANTES
1.- Cargas en los miembros divisores -Cargas debidas al peso soportado *Cargas de fricción vertical equivalentes al 3% del total de la suspendida en el En el cable. *Cargas horizontales equivalentes al 10% del total de la carga suspendida. 2.-Cargas en los guiadores -Cargas de fricción vertical igual al 3% de la carga suspendida. -cargas horizontales igual al 10% de la carga suspendida.
CALCULO DE LOS MOMENTOS FLECTORES Una ves determinadas las cargas actuantes y su distribución, se calcula los momentos flectores verticales y horizontales, mediante a la aplicación de conceptos básicos de equilibrio de fuerzas y resistencia de materiales.
SELECCIÓN DE PERFIL ADECUADO
Con el momento flector máximo (Mmax) obtenido y con el máximo esfuerzo permisible (Fb) calculamos el modulo resistente (s) con la relación Fb=MMAX./S. Utilizando las tablas del AISC, seleccionaremos el perfil adecuado par cada caso.
Vertificacion de esfuerzos
Con el nuevo modulo resistente (S) y con el momento
flector máximo
determinamos el esfuerzo máximo (Fb) que podrá soportar la estructura escogida y siempre se debe cumplir,
Fv)= Fb = 0.66 Fy
Con lo cual queda versificado el esfuerzo.
Diseño final Todos los cálculos matemáticos anteriores son para establecer un punto de partida. Existen otras consideraciones que deben hacerse para determinar el diseño final como:
-
Forma geométrica de la estructura.
-
Corrosión.
-
Probabilidad de impactos por caída de objetos.
- Ventilación.
-
Aproximaciones e incógnitas en los métodos de análisis.
- Calidad de la mano de obra. - Presencia de esfuerzos residuales. - Ubicación y tiempo de uso de la estructura, etc.
Finalmente, es oportuno indicar
que actualmente existen una serie de
programas computarizados para el calculo estructural
que simplifican
enormemente este trabajo.
La fabricación
es realizada totalmente en los talleres de superficie con
subensambles prefabricados para una tolerancia máxima de 3 mm.
Los anillos se fabrican en los partes, unidos entre si por pernos de 3/4" AST- A325 de perfiles laminados estándar tipo o C15.4.
Los elementos divisores de los compartimientos son vigas de ala ancha 6W15.5. Los tirantes verticales y horizontales son varillas corrugadas de 3/4 “ de diámetro, tipo ASTMA615, grado 60. Los guiadores de los skips son de tubos estructural cuadro de 5” x 5” x 5”/16.
Los guiadores de la jaula son de madera pino oregon de 5 “ x 8” de sección. Los guiadores del contra peso de la jaula son de tubo estructural cuadrado de 2”x2”x1” /4”. Las plataformas de descanso son de parrilla estándar de 3/4"x4’x8’.tipo PM193. Todas estas estructuras excepto los guiadores, son arenadas y pintadas con tres capas de pintura epoxica.
Instalación
Instalación de las estructuras prefabricadas es relativamente simple, rápida y segura hemos establecido un tiempo promedio de 5 horas con 4 trabajadores por cada set que nos permite un avance de 3.5 m.
La instalación se realiza con la ayuda de un winche auxiliar de 50hp de un tambor .Se nivela, se alinea, se bloquea en 5 partes
en la periferia del
anillo , se perfora a la roca a través de los agujeros del anillo y finalmente se introduce a cada hueco taladrado una varilla de fierro. Corrugado de 3/4" de diámetro por 1,20 de longitud conjuntamente con 2 cartuchos de resina para que actué como perno cementado.
Ventajas
-
Son fácilmente remplazadles.
-
Son recuperables, económicas y seguras.
-
Mínimo mantenimiento.
-
Vida útil prolongada.
Desventajas
-
El prefabricado requiere de un buen control de calidad.
-
Se debe evitar el agua y la humedad para mayor duración.
-
Inspección continúa.
. EMBARQUES Ya se ha comentado que el pique Aurelio del Valle tiene 3 embarques, uno a nivel 976 m.s.n.m., otro a nivel 737 y otro a nivel 553. En cuanto al pique Emilio del Valle, tiene 4 embarques, uno a nivel 978, otro a nivel
868, otro a nivel 741 y el último a nivel 615. En el futuro está previsto reprofundizar dicho pozo y hacer otros 2 embarques a cotas 490 y 365. Durante la profundización de los piques se efectuó cada uno de los embarques, desde los cuales se accede a cada una de las diferentes plantas. Para ello, una vez alcanzada la cota en la cual estaban emplazadas las mismas, se procedió a excavar en sentido horizontal el anchurón que daba acceso a ellos. El sistema de sostenimiento empleado fue el del NATM (Nuevo Método Austriaco), empleando para el sostenimiento bulones y hormigón proyectado. Los embarques fueron excavados en una longitud aproximada de 35 m de distancia respecto al eje del pique, de modo que una vez se finalizaron las labores de ejecución de los piques se pudieran reanudar las labores de avance en cada uno de los niveles sin interrumpir en demasía ni deteriorar el funcionamiento del pique. En algún caso muy particular, como es por ejemplo el embarque del nivel 976 del pique Aurelio del Valle, en el cual se sitúa la estación de descarga del skip, la sistemática de trabajo para garantizar el éxito de la labor fue muy laboriosa. Antes de llegar a este nivel se preparó en el pique un anchurón, denominado "pata de elefante", desde el cual se perforaron unos taladros de 12 m de longitud y de 90 mm de diámetro descendentes con dirección a la zona que iba a ser más adelante excavada para ejecutar la cámara de descarga del skip. En estos taladros se colocaron barras de acero de 32 mm de diámetro AEH 500
de sistema Gewi unidas por manguitos y tuercas y protegidas en toda su longitud con cinta Denso-Flex, anclados en toda su longitud con cemento y en la parte superior con un amarre específicamente diseñado para la tarea que debían cumplir con el tiempo. Una vez alcanzada la excavación del pique la zona donde se encontraba el techo de la cámara de descarga del skip, se comenzó a ensanchar el pique para dar cabida a la misma. Durante la excavación aparecieron los extremos inferiores de las barras Gewi, que habían sido perforadas desde la pata de elefante. En ellos se colocaron una vigas que unían los anclajes de dos en dos. Se les dio tensión y se continuó excavando el anchurón de la cámara de descarga del skip. De este modo el techo de la cámara quedó "arriostrado" con la base de la "pata de elefante". Para la excavación e emplearon martillos de columna y palas "Cavo".
RENDIMIENTOS Es difícil indicar un rendimiento significativo de estas labores, ya que las variaciones de terrenos han sido tan frecuentes que no se ha podido alcanzar un buen ritmo de trabajo. De todos modos vamos a mostrar
aquí algunos de los rendimientos alcanzados en algunos tramos relativamente significativos, en el pique Aurelio del Valle entre las cotas 971,2 y 760 (es decir, justo terminado el embarque del nivel 976 y antes de comenzar el embarque del nivel 737). En este tramo se atraviesan 2 fallas importantes y con bastante carbón sucio en ambas, como ya se indicó antes.
PERFORACION
Nº
m
h
rendimie
barrenos
perforado
perforada
nto
5.186
s 18.780 m
s 309,25 h
60,7 m/h
VOLADURA Kg
carga
horas
horas
Horas
rendimie
explosivo 10.392 kg
específica 1,243 kg/m3
carga 227,0
perfor. 309,25 h
totales 536,25 h
nto 0,394 m/h
DESESCOMBRO Horas
cub
m3
rendimie
765,75
as 4.61
17.291
nto 22,581
h
1
m3
m3/h
SOSTENIMIENTO PROVISIONAL Nº bulones
Tiemp
Rdt
Malla
Gunit
0,9 m 1,8 m
o
o
m2
a
m3
2,4 m
h
bul/
483 3.910
318,5
h 17,7
6.422
87,5
7
m2
m3
1.267
SOSTENIMIENTO DEFINITIVO
Preparaci
Hormigo
Tota
Volum
Rendimie
ón
nado
l
en
nto
H 260,25
h 184,75
h 445,
m3 2.372,
m3/h 5,33
0
25
SOSTENIMIENTO DEFINITIVO
Hormigo
Tota
Volum
Rendimie
Preparaci
nado
l
en
nto
ón
h
h
m3
m3/h
H 260,25
184,75
445,
2.372,
5,33
0
25
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS PIQUES
En la tabla de la Figura 6 se pueden ver las características más notables de ambos piques verticales desde el punto de vista de equipamiento.
INSTRUMENTACIÓN
Para controlar que el sostenimiento del pique funcione correctamente y que las presiones sobre el mismo no superen aquéllas que han sido previamente calculadas, es necesario el empleo de instrumentación específica de control. De este modo, se consigue verificar la validez de los diseños iniciales, comprobando que el sistema de sostenimiento colocado funciona correctamente. Para ello se controla la evolución de las deformaciones y cargas con el tiempo, y ,en caso de que existan notorias diferencias entre el comportamiento previsto y el real, deben de efectuarse las correcciones necesarias para evitar males mayores. Entre ella cabe citar extensómetros, células de convergencia, células de carga y células con captadores de cuerda vibrante. Los extensómetros empleados fueron de varilla, instalados a 1, 2, 3 y 7 m de profundidad y con lectura remota, ya que era imposible volver a los puntos donde se colocaron a medir con la frecuencia necesaria. Se suelen situar cerca del frente, tras la segunda pega disparada, midiéndose después de cada avance, y al menos una vez por semana una vez desaparecido el efecto del frente. Gracias a ellos se puede determinar el radio de plastificación y, por tanto, determinar si la longitud y densidad de bulo naje empleado es o no la adecuada.
Las células de convergencia fueron también de lectura remota, colocadas en las paredes del pique. Generalmente es un sistema sencillo y muy eficaz para detectar comportamientos anómalos del terreno en túneles y galerías, sin embargo en el pique la lectura e interpretación de las mismas no fue muy significativa por su complejidad. Las células de carga se colocaron en determinados bulones para medir el nivel de carga que alcanzaban y comprobar que el mismo no superaba los valores límite de rotura.
Las células con captadores de cuerda vibrante y las células de presión total permiten determinar el nivel de carga alcanzado dentro del concreto de los anillos.
CONTROL DE CALIDAD
Básicamente se controlaron los siguientes aspectos: 1 - Control de los concretos proyectados, bombeados y encofrados: 2
- Control de calidad de áridos.
3
- Control de calidad de agua.
4
- Control de dosificaciones.
5
- Verificación de la consistencia y manejabilidad.
6
- Control de segregaciones en la puesta en obra del concreto.
7
- Inspección visual en la fabricación y en la puesta en obra.
8
- Ensayos a compresión simple, con rotura de probetas, a los 2, 7, 28 y 90 días en el caso del concreto proyectado, y a 7, 28 y 90 días en el concreto bombeado y encofrado.
9
- Extracción ocasional de testigos in situ.
10- Control del bulo naje: 11 - Calidad de materiales. 12 - Control de longitud y diámetro del barreno y del perno. 13 - Control del volumen de resina o de mortero empleados. 14 - Control de la densidad de bulo naje. 15 - Control de la orientación de los barrenos. 16 - Ensayos de tracción en laboratorio
17 - Ensayo de tracción en perno colocado. 18 - Inspección visual en la puesta en obra. 19- Control de la sección de avance. 20- Control topográfico. CONTROL DE TIEMPOS DE EJECUCION MEDIANTE EL PROGRAMA EL PROYECT
EL DIAGRAMA DE ISHIKAWA VNOS PERMITE MEDIR LA CALIDAD
(EN EL PROCESO DE DISEÑO DE UN PÌQUE)
AC C E S O R IO S D E V DO TO ME
S IS TE M A TR AD IC IO N AL
J UE G O S
EL DIAGRAMA DE PARETO PARA CONTROLAR EL TIEMPO
A =PERFORACION B = VOLADURA C = ACARREO D = VENTILACION E = SOSTENIMIENTO F = SERVICIOS G = DESAGUE I = INOPERATIVAS
(frec. = 70) (frec. = 10) (frec. = 10) (frec. = 15) (frec. = 15) (frec. = 20) (frec. = 50) (frec. = 10)
1. Construimos la tabla de frecuencias, con las columnas que necesitamos:
CAUSAS, FRECUENCIA, PORCENTAJE y PORCENTAJE ACUMULADO
2.-Calculamos el POCENTAJE ACUMULADO
3.- LA OBTENCION DEL CUADRO FINAL QUE ES DIAGRAMA DE PARETO
DIAGRAMA DE PERFORACION DE UN PIQUE
P E R F O R IS T A S E D IR IG Q A S U L A B
NO
V E R IF IC A SU P ERFO RAD O R A
SI
REAL
BLIOGRAFÍA "Die Entwicklung einer neue Zehe von Steinkohle Bergbau in Nordern Spanien" ("El desarrollo de una nueva mina en el norte de España"), Ing. Enrique Castells Marzo de1.997 La realidad de la profundización de pozos verticales. Antonio del Valle Alonso y José Luis Fernández Eguíbar. IX Congreso Internacional de Minería y Metalurgia de León, España, del 24 al 28 de Mayo de 1.994. Un ejemplo de minería competitiva en la C.E.E.: La nueva mina de Hullera Vasco Leonesa. Antonio del Valle Menéndez, revista Rocas y Minerales de Septiembre de 1.992. Auffahren
von
Füllörtern
mit
Anker-Spritzvbeton-Ausbau.
Wolfram
Harryers. Informe sobre la profundización de los pozos verticales de la Nueva Mina. Informe - memoria interno del Departamento de Grandes Obras de Hullera Vasco Leonesa. Requisitos de sostenimiento para los embarques del Pozo Santa Lucía. De G. Daws. Aplicación del Nuevo Método Austríaco en la ejecución de galerías del "Proyecto Nueva Mina" de la S.A.Hullera Vasco Leonesa. Enrique Castells, revista Rocas y Minerales de Mayo de 1.998. Introducción del N.M.A. en el diseño de las labores de infraestructura del proyecto Nueva Mina. Enrique Castells. IX Congreso Internacional de Minería y Metalurgia de León, España, del 24 al 28 de Mayo de 1.994.
