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Contar previamente con evaluaciones geomecánicas exhaustivas de los frentes de avance inestables, es un requisito fundamental en el proceso de selección de las alternativas de sostenimiento para el control de las inestabilidades subterráneas. Sin embargo, es importante también tomar en cuenta los parámetros operativos de la labor minera que será estabilizada con elementos de sostenimiento. Por ello, es importante la evaluación de las macrovariablesgeomecánicas y operativas, que luego serán definidas para la selección de la(s) alternativa(s) de sostenimiento a ser aplicada(s). El principal objetivo es brindar un adecuado control de la inestabilidad , según la calidad geomecánica y operativa de la zona que presenta dicha inestabilidad. Es importante que los profesionales encargados de recomendar las técnicas de sostenimiento , así como los encargados de la aplicación del sostenimiento, estén íntimamente compenetrados con las relaciones que, de manera directa, existen entre la evaluación geomecánica y la operatividad de las zonas inestables. Es importante resaltar que toda ejecución de técnicas de sostenimiento debe cumplir con los procedimientos escritos de trabajo seguro durante su desarrollo. Existe una relación directa entre la macrovariablegeomecánica y la macrovariable operativa, la cual radica en una dependencia estrecha entre ellas, durante el proceso de selección del(os) tipo(s) de sostenimiento(s) a ser aplicado(s). En consecuencia, no se debería establecer una recomendación de sostenimiento en la zona de trabajo, sin antes haber interactuado dichas variables para la selección final del(los) elemento(s) de sostenimiento a ser aplicado(s) en el control de la inestabilidad subterránea. El no realizar la interacción de dichas macro variables, podría originar situaciones nocivas para la seguridad de la operación minera, reflejadas en: a) Una inadecuada selección del tipo de sostenimiento. b) La generación de condiciones su estándares en la labor a estabilizar, exponiendo a los trabajadores a un mayor riesgo. c) Sobredimensionamiento o subdimensionamiento de los elementos de sostenimiento. Adicionalmente, esto puede generar un incremento de costos en los programas de sostenimiento por la aplicación de alternativas de sostenimiento más costosas. Conforme a ello, la importancia de interactuar dichas macro variables radica principalmente en dos objetivos: el de seguridad y el de productividad en las operaciones.
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PERNOS DE ROCA Generalidades Los sistemas de reforzamiento con pernos de roca minimizan las deformacionesinducidas por el peso muerto de la roca aflojada, así como también aquellasinducidas por la redistribución de los esfuerzos en la roca circundante a laexcavación. En general, el principio de su funcionamiento es estabilizar losbloques rocosos y/o las deformaciones de la superficie de la excavación,restringiendo los desplazamientos relativos de los bloques de roca adyacentes. En roca masiva o levemente fracturada y en rocas fracturadas, el papel principal delos pernos de roca es el control de la estabilidad de los bloques y cuñas rocosaspotencialmente inestables. Esto es lo que se llama también el “efecto cuña”. Cuando los bloques o cuñas son aislados solo amerita estabilizarlas con pernosaislados, a esto es lo que se denomina también, sostenimiento aislado oesporádico, de lo contrario lo usual será el sostenimiento sistemático en todo eltecho y/o paredes de la excavación, según sea requerido.
El e fe ct o c uñ a.
En roca estratificada sub-horizontal y roca no estratificada con un sistemadominante de discontinuidades subhorizontales, los pernos ayudan a resistir eldesplazamiento relativo entre los estratos, aumentando la rigidez de la vigaestructural que forman y creando ligazón entre los bloques tabulares, paraminimizar la deflexión del techo. Esto es lo que se llama también el “efecto viga”. Este concepto puede se extendido al caso de paredes paralelas a estratos odiscontinuidades subverticales, generando el denominado “efecto columna”, paraminimizar el pandeo de los bloques tabulares.
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El efecto colu mna.
En roca fracturada e intensamente fracturada y/o débil, los pernos confierennuevas propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalados en forma radial,cada perno crea un bulbo de resistencia, el cual al interactuar con los bulbos de lospernos adyacentes forman un arco rocoso portante que trabaja a compresióndenominado “efecto arco”, el mismo que da estabilidad a la excavación.
El efecto arco generado po r la interacción de los bulbos de resistencia de los pernos.
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Hay otros principios bajo los cuales funcionan los pernos de roca para tratamientos específicos, como coser zonas de falla, zonas de corte y otras zonas de debilidad, instalados cruzando estas zonas.
Tipos de pernos: Actualmente hay disponibles diferentes tipos de pernos de roca. Varios tipos depernos muestran solo diferencias menores en su diseño y son básicamentevariedades de un mismo concepto. Según las técnicas de anclaje que se utilizan,podemos agruparlos de la siguiente manera: pernos anclados mecánicamente,pernos de varillas cementados o con resina y pernos anclados por fricción. Aquípresentamos los pernos representativos de cada grupo, que son los más utilizadosen la industria minera. Para el caso de los pernos cementados o con resinaconsideramos a las varillas de fierro corrugadas y las barras helicoidales, para el casode los pernos anclados por fricción consideramos a los split sets y los swellex.
PERNOS DE ANCLAJE MECÁNICO
PERNOS DE VARILLA CEMENTADOS O CON RESINA
SPLIT SETS
SWELLEX
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PERNOS DE ANCLAJE. Definición: Los anclajes son armaduras metálicas, alojadas en taladros perforados desde el talud y cementadas. Se emplean como medida estabilizadora de taludes en roca como en terreno suelto, así mismo son elementos que trabajan a tracción y que colaboran a la estabilidad del talud de dos formas: - Proporcionan una fuerza contraria al movimiento de la masa deslizante. - Producen un incremento de las tensiones normales en la existente o potencial superficie de rotura, lo que provoca un aumento de la resistencia al deslizamiento en dicha superficie.
PERNOS DE ROCA ANCLADOS MECÁNICAMENTE Los anclajes de los pernos de roca de mecanismo de expansión viene en una amplia variedad de estilos pero el principio básico de operación es el mismo en todos estos anclajes. Los componentes de un anclaje típico de mecanismo de expansión son un cono con un roscado interno y un par de cuñas sujetas en su lugar por un soporte. Estos anclajes de mecanismo de expansión trabajan bien en roca dura, pero no son efectivos en rocas regularmente diaclasadas y en rocas blandas, a causa de la deformación y la falla de la roca en el contacto con las cuñas. El tensiona miento de los pernos de roca es importante, para asegurar que todos los componentes estén en contacto y que una fuerza positiva sea aplicada en la roca.
DESCRIPCIÓN: Un perno de anclaje mecánico, consiste en una varilla de acero usualmente de 16mm de diámetro, dotado en su extremo de un anclaje mecánico de expansión queva al fondo del taladro. Su extremo opuesto puede ser de cabeza forjada o conrosca, en donde va una placa de base que es plana o cóncava y una tuerca, parapresionar la roca. Siempre y cuando la varilla no tenga cabeza forjada, se puedenusar varios tipos de placas de acuerdo a las necesidades de instalación requeridas. Este tipo de pernos es relativamente barato. Su acción de reforzamiento de la rocaes inmediata después de su instalación. Mediante rotación, se aplica un torque de135 a 340 MN (100 a 250 lb/pie) a la cabeza del perno, el cual acumula tensión enel perno, creando la interacción en la roca.
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PARTES DE UN PERNO DE ANCLAJE. En un anclaje se distinguen tres partes fundamentales:
A) ZONA DE ANCLAJE.- Es la parte solidaria al terreno en profundidad encargada de transferir los esfuerzos al mismo.
B) ZONA LIBRE.- Es la parte en que la armadura se encuentra independizada del terreno que la rodea, de forma que puede deformarse con total libertad al ponerse en tensión.
C) CABEZA.- Es la zona de unión de la armadura a la placa de apoyo. La longitud de los anclajes suele oscilar entre 10 y 100 m y el diámetro de perforación entre 75 y 125 mm.
Fig. Perno mecánico PARTES DE UN PERNO DE ANCLAJE MECÁNICO: Los pernos de anclaje constan de las siguientes partes:
Chaveta de expansión
Perno de anclaje
Plancha metálica (4’ x 4’ y ¼” de espesor)
Tuerca del perno
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CARACTERÍSTICAS DEL PERNO MECÁNICO
Diámetro de la varilla: 17.8 mm.
Resistencia a la tensión ultima del vástago del perno: 12.7 Ton Aprox.
Mecanismo de anclaje de expansión: tipo tres cuñas de anclaje.
Platina: Placa Cuadrada, tuerca con asiento hemisférico.
Pre-carga del perno: 2.25 Ton.
Diámetro de taladro: 34 mm.
Este perno tiene la característica de fijarse sólo en el fondo del barreno. Está unido a la roca en un solo punto o área limitada a un collar de contacto. Bajo esta visión se divide en: -
Dispositivo de expansión con ranura y cuña
-
Dispositivo de expansión de cono y envolvente
La expansión de una envolvente de fierro se produce por la rotación del perno y la inclusión del cono. La envolvente se aprieta fuertemente contra la pared de la perforación.
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SELECCIÓN DE PERNOS DE ANCLAJE Criterios De Selección De Los Pernos De Anclaje: La importancia de la interacción entre las macrovariablesgeomecánicas y las operativas para la selección adecuada de la alternativa de sostenimiento, es el pilar clave para una adecuada recomendación de sostenimiento. La iteración conjunta es vital para seleccionar en forma óptima la alternativa de sostenimiento, salvaguardando los intereses de seguridad, productividad y de costos para la compañía minera. Por lo general, cuando se evalúa la factibilidad del uso de una alternativa de sostenimiento correspondiente a la categoría por refuerzo (pernos de anclaje), muchas veces es analizada únicamente la macrovariablegeomecánica, enfocándose solamente en la evaluación de las características geomecánicas del macizo rocoso (condiciones de calidad de roca y evaluación de la estabilidad estructuralmente controlada, principalmente), mas no de las características operativas de la zona inestable. Esta situación conlleva a una incorrecta selección de los mecanismos de anclajes (categorías de pernos de anclaje por adherencia y por fricción) para el control de las inestabilidades subterráneas, generando condiciones sub estándares en los lugares de trabajo. El análisis de la macrovariable operativa es fundamental para la selección adecuada del tipo de anclaje a ser utilizado, ya que ésta determinará, en una primera instancia, la categoría de anclajes a ser utilizada, seguido del tipo de anclaje correspondiente a la categoría asignada. La diferenciación de la categoría de los anclajes se efectuará evaluando los siguientes factores operativos:
Evaluación del tiempo de exposición de las labores a sostener.
Capacidades de carga de cada una de las alternativas de anclajes.
Análisis de factores de seguridad.
Dimensionamiento de la labor minera.
Análisis de los servicios para la aplicación de la alternativa seleccionada.
Evaluación de costo – beneficio de la alternativa seleccionada.
De estos parámetros operativos, la evaluación del tiempo de exposición, asociada al grado de seguridad requerida de la labor minera y a la capacidad de carga que ofrece el anclaje, establecen la
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base para la selección de la categoría de anclaje a utilizar. Es importante indicar que la evaluación del primer parámetro determinará el filtro para la elección de la categoría de anclaje a ser aplicado, ya que asociará el tiempo de exposición de la labor minera con las características mecánicas de la categoría del anclaje. Cabe mencionar que los pernos de anclaje están agrupados en dos categorías de refuerzo: anclajes por adherencia y anclajes por fricción. Dentro de los cuales se encuentran agrupados los diversos tipos de anclajes conocidos en el mercado. En esta parte del análisis, es importante tener claro si la categoría del anclaje seleccionado corresponde a un soporte permanente o si corresponde a un soporte temporal. Esta premisa es importante al momento de seleccionar el tipo de sostenimiento, ya que las categorías por adherencia están asociadas a soportes permanentes, mientas que la categoría por fricción está asociada a soportes temporales. Como ejemplo de esta selección, el sostenimiento de una labor principal, como el caso de una rampa, deberá ser estabilizada aplicando anclajes por adherencia, ya que tendrá un mayor tiempo de exposición (sostenimiento permanente) asociado a una capacidad de carga alta del perno de anclaje, no debiendo aplicarse anclajes de la categoría por fricción. La aplicación de esta alternativa de sostenimiento trae consigo interrogantes relacionadas a la selección del tipo de anclaje a ser utilizado, en función a la categoría del refuerzo. Para poder seleccionar, en primera instancia, se debe considerar el tipo de categoría de anclaje apropiado para el óptimo control de las inestabilidades subterráneas, el cual garantice, no solo el control de la inestabilidad, sino que brinde la seguridad apropiada a la zona de trabajo y logre una eficiente productividad en la operación minera como condiciones principales. Una vez seleccionada la categoría del anclaje, se tendrá que optar por un tipo de anclaje de la categoría de refuerzo para el mejor control de las inestabilidades subterráneas. En esta etapa se tendrán que evaluar factores operativos, geomecánicos, mecánicos y de costo – beneficio, para cada una de las alternativas de anclajes pertenecientes a dicha categoría. En tal sentido, las labores mineras que tengan un mayor tiempo de exposición, labores permanentes, deberán ser estabilizadas con la dotación de anclajes de la categoría por adherencia, mientras que las labores mineras que tengan un corto tiempo de exposición, labores temporales, deberán usar anclajes de la categoría por fricción. Cabe indicar que, en las operaciones mineras que tienen características geomecánicas particulares, como por ejemplo, presencia de niveles de esfuerzos elevados, se vienen
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aplicando anclajes del tipo por adherencia en labores de poco tiempo de exposición o temporales. En esta etapa, el planeamiento operativo de minado, juega un rol fundamental en la determinación del tiempo de exposición de la labor minera. Una vez seleccionada la categoría de anclaje a ser utilizada, es necesario asociar el parámetro de la capacidad de carga que ofrece el anclaje. Este factor estará representado por el tonelaje que ofrece el anclaje en el control de las inestabilidades subterráneas y/o superficiales. En esta etapa es importante tener en cuenta que existe una diferencia entre el elemento de sostenimiento antes de ser inserto en la masa rocosa y el aplicado en el macizo rocoso. La capacidad de carga del anclaje es el resultado de la medición cuando este se encuentra dispuesto dentro de la masa rocosa. Por ello, se debe tener claro el concepto de anclaje, el cual resulta de la asociación del macizo rocoso, el perno de acero y, de ser el caso, el encapsulante aplicado (el encapsulante lo constituye la matriz de adherencia en los pernos de la categoría de este nombre, pudiendo ser: inyecciones de lechada de cemento, cartuchos de cemento y/o cartuchos de resina). Por esta razón, no es lo mismo la capacidad de carga del anclaje inserto y la capacidad de carga del perno no inserto, cuya verdadera nomenclatura estará asociada a las propiedades mecánicas del elemento de sostenimiento. Una vez claro este concepto, será necesario comprobar las capacidades de carga reales del anclaje seleccionado, lo cual se obtiene mediante un programa de monitoreo que consiste en efectuar pruebas de arranque o también llamadas ensayos «pulltests». En esta etapa, es importante tener en cuenta que las capacidades de carga de los anclajes monitoreados estarán en relación directa al dominio geomecánico en el cual fueron aplicados.
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INSTALACIÓN DE LOS PERNOS ANCLADOS MECÁNICAMENTE
Colocar la plancha en la base del perno.
Enroscar, un poco y con la mano, la chaveta de
expansión en el otro extremo del perno.
Insertar completamente el perno en el taladro, con la
chaveta de expansión adelante, hasta el fondo del taladro.
Enroscar el perno de anclaje, girando en sentido del reloj
la cabeza del perno.
Se puede enroscar el perno inicialmente manualmente con ayuda de una llave inglesa, al final se tiene que asegurar con la máquina aseguradora.
Conectar la máquina aseguradora.
Colocar la palanca en dirección de las agujas del reloj (a la derecha).
Colocar la boca de la máquina sobre la cabeza del perno.
Apretar el botón de arranque y el perno será asegurado.
Verificar si el perno está seguro.
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pero
EQUIPOS PARA LA INS TALACIÓN DEL PERNO DE ANCLAJE MEC ÁNICO El equipo y las herramientas p ara la instalación de los pernos de anclaje son:
Máquina perforadora stoper.
Máquina aseguradora
Combo 8 lb.
Espadilla
Escalera
Llave Inglesa
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CONTROL DE INSTALACIÓN Revisar el estado del perno, las roscas y el anclaje. ·
Asegurar que los anclajes se girar libremente.
·
Ajustar el anclaje al diámetro del taladro.
·
Sacar la camisa plástica del anclaje antes de insertarlo.
·
Se recomienda un “torque” y tensión adecuada para la instalación.
Revisar el diámetro de la broca y limpiar el taladro
•
Colocar la platina
La recomendaciones referente a la Tensión al Momento de la Instalación; Colocar la cabeza expansiva
Se instala el perno con la perforadora se hace un torque de 90 a 150lb
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Conversión kN X 225 = Lbs X .00445 = Kn Pé rdida de la Tensión y l a Resistencia - I nstal ación A ngu lado;
Ejemplo Tensión de la instalación = 180 Ft. - Lb. Acero C1060 Cabeza forjada
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CONTROL DE CALIDAD
•
En el gráfico Fig. 1 se puede apreciar un desplazamiento total de 19 mm, ante una carga de 11 toneladas, en el gráfico.
•
Esta prueba fue realizada sólo con la barra de acero (sin anclajes). Las pruebas demostraron que la barra de construcción es más rígida y, tiene menor elongación por su longitud.
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RESUMEN PERNO MECANICO El Perno Mecánico provee soporte a través del método de suspensión. El techo de la mina se suspende efectivamente anclando las diferentes capas de estratos. El anclaje se logra con la ayuda de una cabeza de expansión. El Perno Mecánico se tensa durante la instalación, lo que ajusta la cabeza de expansión contra la pared del barreno.
Procedimiento de Instalación:
Haga la perforación del diámetro y profundidad adecuados.
Haga la profundidad 57 mm más que la longitud del perno.
Inserte el Perno Mecánico y la Placa de Soporte hasta 1,6 mm a 3,2 mm de la línea del techo.
Gire el perno utilizando una perforadora preparado al torque predeterminado.
La Placa de Soporte debe quedar ajustada contra el techo.
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CONCLUSIONES.
Los pernos necesarios para soportar los taludes finales de una excavación a corte abierto se deberán instalar tan pronto como sea posible, después de remover cada etapa de excavación y antes de hacer las voladuras correspondientes a la etapa de excavación siguiente.
Las longitudes básicas de anclaje (lb) dependen, entre otros factores, de las propiedades de adherencia de las barras y de la posición que ocupan en la pieza de hormigón.
Los anclajes transmite al soporte las solicitaciones a que son sometidos, trabajando fundamentalmente a tracción, a esfuerzo cortante o una combinación de ambos.
Fundamental con el anclaje del terreno se consigue un sostenimiento efectivo mediante la instalación de barras de acero y su posterior inyectado, todo en un reducido espacio de talud o excavación.
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BIBLIOGRÁFIA:
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