UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS c
MINERÍA GENERAL
SOSTENIMIENTO POR: ESTRELLA CARBAJAL Kenny
El sostenimiento en minería subterránea es muy importante, ya que por la naturaleza del trabajo toda labor que se hace en el interior de la mina se realiza en espacios vacíos, inestabilizados producto de la rotura de la roca o mineral extraído; para lograr que se mantenga nuevamente estable la zona y en condiciones de trabajarla, la zona debe de redistribuir sus fuerzas, para ello es necesario apoyar inmediatamente con el refuerzo o el sostenimiento adecuado, considerando el tipo de rocas, fallas con relleno, fallas abiertas, etc.
Es todo lo que sirve para contener el desprendimiento de trozos de roca y proteger al personal, impidiendo el derrumbe de los techos y de las paredes de las labores mineras. El sostenimiento o fortificación tiene por objetivo mantener abiertas las labores durante la explotación, compensando el equilibrio inestable de las masas de roca que soporta.
En la mayoría de los casos, solamente es necesario que las labores mineras permanezcan abiertas durante periodos de tiempo relativamente cortos por ello la función de las fortificaciones es retrasar el reajuste de las masas de rocas mas que asegurar un sostenimiento permanente.
Los principios fundamentales que se deben seguir en el diseño y empleo de estructuras de sostenimiento para fuertes presiones, constantes o repentinas son:
La estructura debe ser colocada lo mas cerca posible al frente para permitir solo el mínimo reajuste del terreno antes de dicha colocación. Debe ser rígida para que el reajuste que se produce después de la colocación sea reducida al mínimo. La estructura debe estar constituido por piezas de fácil construcción, manipuleo e instalación. Las partes de la estructura que han de recibir las presiones o choques mas fuertes deben tener tales características y ubicación que trabajan con el menor efecto sobre la estructura principal misma. Ellas deben interferir lo menos posible a la ventilación y no estar sujetos a riesgos de incendio. Su costo debe ser tan bajo como lo permite su buen rendimiento.
El conocimiento de las diversas clases de terreno es fundamental a fin de determinar la necesidad de sostenimiento de las labores. Desde el punto de vista práctico podemos dividir los terrenos en cinco clases: 1.- TERRENO COMPACTO.- Son los terrenos duros, solido o firme, formado por partículas bien cementados entre ellos tenemos la mayoría de las rocas ígneas y algunas rocas metamórficas. Este tipo de terreno no requiere de sostenimiento es autosostenido. 2.- TERRENO FRACTURADO.- Muestra una serie de planos paralelos de discontinuidad como los planos de estratificación y una serie de fracturas o planos de separación los que pueden estar en diferentes direcciones, aquí se encuentran las rocas sedimentarias. Requiere solo un sostenimiento ligero.
3.- TERRENO QUEBRADO.- Es aquel que presenta dos o mas sistemas de plano de discontinuidad o rajaduras. Estas características no se ofrecen en forma natural en las rocas, sino que es producido por cambios en las condiciones físicas de ellas y por esfuerzos en la corteza terrestre. Es necesario un sostenimiento de tipo medio. 4.- TERRENO MOLIDO.- El cual esta formado por ligamentos gruesos y finos o una mezcla de ambos tamaños, la masa de roca es completamente discontinua, aquí tenemos las arenas y brechas. Requiere de sostenimiento de tipo pesado, en esta clase de terreno las presiones son mayores cuanto mas fino es el tamaño de los fragmentos. 5.- TERRENOS ARCILLOSOS.- Constituido por rocas casi plásticas que se deforman bajo la presión. La mayor o menor plasticidad depende del contenido de agua y la proporción de arcilla, tenemos los panizos y pizarras. Este tipo de terreno exige un sostenimiento extremadamente resistente, tales terrenos se deforman fácilmente bajo la presión.
TERRENO COMPACTO
TERRENO FRACTURADO
TERRENO SUAVE
TERRENO ARCILLOSO
Madera : Palos, tablas, tacos y cuñas de eucalipto seco. Para piques pino oregón. Piedras o roca (muro seco o pircas) Concreto armado. Pernos de anclaje
Natural : El techo debe llevarse en forma de arco o bóveda, ubicando bien los taladros superiores(alzas). Cuadros de madera : Cuando el terreno es blando, en lugar de patilla se coloca un palo de madera en el piso (longarina), en cuyos extremos se paran los postes.
Natural En filones : Se deja puentes, en los hechaderos y/o caminos, sin interrumpir los accesos a los mismos. En minería artesanal, los pilares deben dejarse en los mismos tajeos . En mantos y cuerpos : A intervalos apropiados dejar pilares para impedir que caigan planchones de la caja techo, denominándose cámaras y pilares (Room and Pillar), el método de explotación.
Puntales de madera Se deben colocar siempre en forma perpendicular a las cajas. Puntal de línea : Se colocan para reforzar hechaderos de mineral o construir buzones. Puntal de seguridad : Sirven para sostener cajas inestables. En la caja techo llevan una plantilla de madera para dar una mayor consistencia.
Muros secos o pircas Intercalando con puntales de línea se construyen muros con piedra o roca caja para sostener rellenos.
Usualmente se denomina soporte de rocas a los procedimientos y materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al perímetro de la excavación subterránea. Se puede clasificar a los diversos sistemas en dos grandes grupos: 1.- LOS DE APOYO ACTIVO; que viene a ser el refuerzo de la roca donde los elementos de sostenimiento son una parte integral de la masa rocosa. Refuerzo de roca generalmente consisten en sistemas de empernado o cables que proveen un refuerzo a la masa rocosa aumentando la resistencia friccional entre bloques que la componen.
2.- LOS DE APOYO PASIVO; donde los elementos de sostenimiento son externos a la roca y dependen del movimiento interno de la roca que esta en contacto con el perímetro excavado. Soporte, consistente en cerchas de acero o concreto, shotcrete o cuadros de madera, son diseñados para estabilizar la masa rocosa mediante el control del colapso progresivo o deformación de la misma.
En términos simples se dice que el refuerzo en un sistema “activo” mientras que el soporte es uno “pasivo”.
Barra Helicoidal
ACTIVO
Pernos con Anclaje
(Refuerzo)
Pernos con Resina
Swellex
ACTIVO
Split Set
(Refuerzo)
Cables
En la figura se puede observar la acción de la resina que embebe al perno de roca
ANGULOS DE INSTALACION Los ángulos de un perno con la superficie de la roca deben tene 90 grados con un máximo de inclinación de 10 grados de la vertical y la platina debe colocarse completamente sobre la superficie de la roca. Ejemplos buenos (B y D), ejemplos no aplicables (A, C y E).
LONGITUD Y ESPACIAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO
A B C D
Profundidad de las capas (X) a soportar Dimensión de los bloques (X) a soportar L \ E = 1,75 L = 1,4 + (0,18 X W)
longitud del perno (L) = X + .75 M longitud del perno (L) = X + .75 M L = longitud del perno, E = espaciamiento de los pernos L = longitud del perno, A = ancho de la apertura en metros
Malla
PASIVO
Cimbras
(Soporte)
Cintas Metalicas
Shotcrete
Cuadro recto
PASIVO (Soporte) Cuadros de Madera
Cuadro cónico Cuadro cojo
En sostenimiento de labores mineras se emplean los siguientes tipos de sostenimiento: A) SOSTENIMIENTO CON MADERA.- La madera es el material de sostenimiento mas accesible y económico, dotado de alta resistencia mecánica y de gran maniobrabilidad, su defecto es que tiene poca durabilidad debido a la putrefacción y su combustibilidad. En labores mineras se emplea como sostenimiento los cuadros de madera, la madera empleada más económica es el eucalipto, el pino solo es utilizado en piques. Estas maderas pueden ser tratadas con antisépticos para aumentar su durabilidad de 2 a 3 veces más. También su durabilidad aumenta cuando hay una buena ventilación. El sostenimiento en las minas se distingue, el sostenimiento permanente y provisional. Es permanente el sostenimiento cuando tiene que durar tanto tiempo como la galería misma y el sostenimiento provisional en tajeos de avance.
La construcción de los cuadros de sostenimiento depende del tipo, misión, forma y dimensiones de la sección de la galería, la magnitud de la presión de la roca. Se tiene los siguientes tipos de cuadros: CUADROS RECTOS.- Es del tipo mas sencillo que consta de un sombrero soportado por dos postes verticales. Estos cuadros son empleados cuando hay poca presión del terreno en el techo y en las cajas laterales. CUADROS CÓNICOS.- Estos cuadros se emplean cuando hay fuerte presión del terreno en el techo y cajas laterales. Los cuadros se colocan en forma trapezoidal recortando la longitud del sombrero e inclinando los postes a ángulos de 78° a 80°.
CUADROS CON SOLERA.- Son cuadros completos constituidos por: un sombrero, dos postes y una solera. Estos cuadros son empleados cuando existe una presión del terreno que actúa desde el piso y cuando las rocas que integran al piso son débiles, con el fin de prevenir el hundimiento de los postes.
La resistencia a la flexión, tensión, compresión depende de la estructura fibrosa y de los defectos de la madera. La humedad ,no es resistente. Los hongos afectan en la humedad con poca ventilación y la madera se pudre. No es conveniente que la madera trabaje a la flexión, mejor trabaja a la compresión paralelo a las fibras. B) SOSTENIMIENTO CON ACERO.- Es uno de los materiales de sostenimiento mas perfecto, dotado de alta resistencia mecánica y resistencia al fuego, y que soportan bien los esfuerzos de la tracción. Para la fortificación de las labores subterráneas se utilizan los aceros en forma de distintos perfiles laminados: vigas en doble T y en U, vigas en media caña, rieles y acero angular. Para las uniones de los elementos se utilizan piezas de sujeción metálicas (abrazaderas). Su defecto de estos materiales metálicos es su corrosibilidad bajo la acción del agua acida de mina, gases y la humedad, su costo es muy alto.
C) SOSTENIMIENTO CON CONCRETO ARMADO.Esencialmente se usa el hormigón, que es un material de construcción obtenido al fraguarse la mezcla del cemento, arena, cascajo o piedra chancada a una proporción no mas rica que la proporción de 1, 11/2, 3 ni mas pobre que la proporción 1, 2, 4. Pues la resistencia del concreto es mas pobre así equivale a la de madera un buen término medio de proporción de mezcla es: 1, 2, 3.
En este tipo de sostenimiento se debe tener en cuenta que el vaciado a mano es imperfecto, siendo preferible el empleo de equipo liviano a presión, en el amiente húmedo el tiempo mínimo para el fraguando es de 28 días y que durante los 90 días la mezcla continuará endureciéndose. Si se desea que el fraguado sea con mayor rapidez se puede emplear un aditivo de fraguado rápido así como la sika.
La resistencia del concreto armado es mucho mas la compresión que a la tensión, sin embargo reforzándolo con acero (fierro corrugado o rieles usados) se consigue aumentar su capacidad a resistir la flexión. Estos sostenimientos se emplean en terrenos arcillosos.
D) SOSTENIMIENTO CON PERNOS DE ANCLAJE Y BARRAS ESTABILIZADORAS.- El sostenimiento con pernos de anclaje se emplea para la fortificación de las galerías, tajeos en arranque, rocas débiles y semiduras, como también en rocas estratificadas y fisuradas. Los pernos se colocan perpendicularmente a la estratificación. Estos pernos son de acero, para fortificar la galería se perfora taladros en el techo, los costados y a veces por todo el perímetro y en esos taladros se colocan y se fijan los pernos que sujetan las rocas. También para fortificar una galería o un frente en explotación se emplean las barras estabilizadoras (Split Set), que tienen la misma función que los pernos de anclaje, para ser colocados se preparan taladros y con la misma máquina perforadora se introduce a los taladros.
Además de los cuatro elementos normales del cuadro de madera (sombrero, postes y solera), contiene otros de menor sección llamados: bloques, cuñas, encribados o emparrillados, enrejados y entablados.
SOMBRERO.- Es un elemento principal de un cuadro, se coloca sobre los dos postes, normalmente esta sujeto a esfuerzos de compresión paralelo a las fibras por recibir la presión de las cajas y paredes laterales de una veta, sin embargo en terrenos arcillosos pueden estar sometidos también a esfuerzos de flexión.
POSTES.- Es otro de los elementos principales de un cuadro, se colocan en forma vertical o inclinado. Desarrollan esfuerzos de compresión paralelo a las fibras debido a la carga que toman del techo y la reacción que provocan al piso de la labor. Sin embargo cuando la longitud de los postes pasa de cierto límite esos trabajan a la flexión, es recomendable que el largo de un poste no sea mayor que 10 a 12 veces a su diámetro, si un poste es de 8’’x8’’ se pueden usar postes de 96’’(8’).
SOLERA.- Se colocan en la parte inferior del cuadro. Esta sometida en sus extremos a esfuerzos de compresión perpendicular a las fibras por recibir la presión del techo a través de los postes de reacción del piso directamente. Además en terrenos arcillosos que presentan empujes del piso, la solera trabaja a flexión apoyado sobre los postes.
TIRANTES.- Es un elemento del cuadro de madera que se coloca al costado lateral del sombrero, en algunos casos se utiliza para separar cuadros.
BLOQUES.- La finalidad principal es mantener firmemente las estructuras de sostenimiento hasta que sean fijadas por la propia presión del terreno, pero también sirven para transmitir las cargas de dicho terreno a los elementos principales del sostenimiento. Además los bloques deben servir para enfrentar en cada unión de piezas de la estructura a dos fuerzas opuestas y alineadas que precisamente representan el esfuerzo.
CUÑAS.- Las cuñas se utilizan prácticamente en todos los trabajos de sostenimiento con madera al igual que los bloques, tienen por objeto mantener en su lugar los elementos de sostenimiento, hasta que las presiones del terreno las sujeta definitivamente. ENCRIBADOS O EMPARRILLADOS.- Cuando el techo de una labor se ha elevado mucho esto ocurre en terreno suelto (arcilloso), será necesario una estructura auxiliar de madera para tomar la presión del terreno sobre el sostenimiento. Esta estructura auxiliar llamada encribado o emparrillado se construye sobre el puente del cuadro o directamente sobre el sombrero.
ENREJADOS Y ENTABLADOS.- Estos elementos auxiliares del sostenimiento tienen por objeto impedir la caída de trozos de roca del techo o de las cajas laterales. Se les llaman enrejados cuando están constituidos por redondos de 4 a 6 pulgadas de diámetro colocados con una separación de 3 a 4 pulgadas. También se pueden confeccionar de redondos partidos longitudinalmente por la mitad. Cuando están conformados por tablas toman el nombre de entablados, se emplean tablas de 2 a 4 pulgadas de espesor y de 6 a 10 pulgadas de ancho con una longitud igual a la distancia de centro a centro de cuadros.
CUADRO RECTO
CUADRO CÓNICO
CUADRO COJO