EVALUACIN DEL SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS EN LA MINA ROSAURA

UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC

CURSO : PROYECTOS MINEROSTITULO : EVALUACIN DEL SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS EN LA MINA ROSAURA EN EL NV 3950 BP SEDOCENTE : RODOLFO MATTOS OJEDA ALUMNO : HUAMANI BUSTINZA FELICIANO ROJAS KARI EFRAIN RONALD

NDICEI.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA11.1.DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA11.2.JUSTIFICACIN11.3.OBJETIVOS2II.MARCO TERICO22.1.ANTECEDENTES22.2.BASES TERICAS42.2.1.Generalidades42.2.1.1.Localizacin42.2.1.2.Historia del yacimiento42.2.2.Geologa local52.2.2.1.Estratigrafa52.2.2.2.Intrusivos72.2.2.3.Plegamiento y Fracturamiento72.2.2.4.Mineralizacin72.2.2.5.Control Mineralgico82.2.3.Geomecnica112.2.3.1.Aspectos Litolgicos112.2.3.2.Clasificacin de la masa rocosa112.2.3.3.Resistencia de la roca142.2.3.4.Condiciones de la masa rocosa152.2.3.5.Condiciones de agua subterrnea172.2.3.6.Esfuerzos172.3.MARCO CONCEPTUAL182.3.1.Importancia del acero182.3.2Caractersticas Generales del acero192.3.2.1.Estructura Qumica192.3.2.2.Caractersticas Mecnicas192.3.2.3.Caractersticas de los Elementos Estructurales del Sostenimiento212.3.3Arcos de acero (cimbras)262.3.3.1Generalidades262.3.3.2Cimbras Rgidas262.3.3.3Cimbras Cedentes39III.HIPTESIS Y VARIABLES423.1.FORMULACIN DE HIPTESIS423.2.DEFINICIN OPERACIONAL DE VARIABLES42IV.METODOLOGA424.1.TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIN424.2.MTODO Y DISEO DE INVESTIGACIN424.3.POBLACIN Y MUESTRA454.4.TCNICAS DE INVESTIGACIN45V.ADMINISTRACIN DEL PROYECTO475.1.CRONOGRAMA475.2.PRESUPUESTO47VI.BIBLIOGRAFA48

DATOS GENERALES

Institucin: UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC

Ttulo: EVALUACIN DEL SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS EN LA MINA ROSAURA EN EL NV 3950 BP SE

rea de investigacin: MINERIA

Autor: HUAMANI BUSTINZA FELICIANO ROJAS KARI EFRAIN RONALDFecha de presentacin: 9/02/2015

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1. DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA

PERUBAR S.A. explota la Mina Rosaura utilizando el mtodo de minado hundimiento por subniveles. Actualmente se tienen problemas de inestabilidad de la masa rocosa en las labores subterrneas y tambin en el rea de subsidencia en superficie. Estos efectos se deben por un lado, a la calidad Muy Mala de la estructura mineralizada, a las caractersticas expansivas y de alta deformabilidad de la roca, y a la presencia de agua. Por otro lado, los esfuerzos inducidos por el proceso del minado, que no son magnitudes altas sino relativamente bajas, pero sin embargo vencen la resistencia de la masa rocosa.Actualmente la mina Rosaura, ha encontrado en las cimbras la nica alternativa de sostenimiento que garantiza la relativa estabilidad de las labores, esto es, mantener la labor lo mejor posible durante el tiempo de vida que se le asigne. Al decir lo mejor posible nos referimos a poder mantener los sistemas de ventilacin e infraestructura, dndoles las garantas de seguridad y a un costo ptimo. Los distintos problemas que afectaban a las cimbras nos llevaran a evaluarlas, haciendo monitoreo de convergencias en las cimbras, de tal manera que nos muestre informaciones parciales que nos permitan tomar decisiones inmediatas y a predecir el tiempo de vida de la cimbra con cierto margen de error ya que el ritmo de deformacin puede variar. Haciendo de esto una ventaja tcnico-econmico favorables para nuestro requerimiento.

1.2. JUSTIFICACIN

La necesidad de reducir los incidentes y dar mejores condiciones de seguridad para el personal que labora y de equipos en la industria minera, es que se realiza constantes estudios en el sostenimiento de las labores subterrneas, en la Unidad Minera Rosaura se viene realizando evaluaciones y mejoras del sostenimiento con cimbras con la finalidad de mejorar las Operaciones Mineras.

1.3. OBJETIVOS

a. Objetivo general

Evaluar el mtodo de sostenimiento con cimbras en el NV 3950 BP SE de la Unidad Minera Rosaura

b. Objetivos especficos Determinar la metodologa de diseo de sostenimiento con cimbras que ms se ajuste a la realidad de la mina Rosaura. Establecer la medicin de convergencias como mtodo evaluacin y anlisis del comportamiento de las cimbras, que nos permita predecir el tiempo de vida de las cimbras y la efectividad de las medidas de control tomadas, frente a las deformaciones aceleradas de las cimbras. Determinar la efectividad de las medidas tomadas para el control de los factores influyentes controlables tales como: Agua subterrnea y presiones naturales. Encontrar nuevas alternativas que nos permitan mitigar el deterioro acelerado de las cimbras en la mina Rosaura.

II. MARCO TERICO

2.1. ANTECEDENTES

GEOMECANICA: HERRAMIENTA DE GESTIN OPERATIVA EN LA MINA ROSAURA

Objetivos

Conocimiento del mtodo terico y su aplicacin y adaptacin al minado de Rosaura. Determinacin del entorno Geomecnico para las soluciones futuras de estabilidad. Definicin de los ngulos de Subsidencia. Controles de Convergencia de deformacin y agua subterrneas. Innovacin y aplicacin de nuevos elementos de sostenimientos portantes. Solucin a problemas operacionales derivado de la Subsidencia.

Esperamos con el presente trabajo, contribuir al engrandecimiento y prestigio de la minera peruana. El trabajo tiene como objetivo: Promover la importancia de la Geomecnica en las operaciones mineras. Difundir el SLC tipo Rosaura como alternativa de minado para futuras operaciones mineras con ambientes geomecnicos similares

Resumen

El presente trabajo tcnico, fue preparado por el Departamento de Geomecnica Rosaura para la presentacin del 7 Congreso Nacional de Minera y en ella se resume toda la experiencia ganada al cabo de ms de 3 aos de labor en el minado de Rosaura. La Mina Rosaura est siendo explotada con el mtodo SLC pero con consideraciones y condiciones muy alejadas a lo propuesto por la teora. Es por ese motivo que la Geomecnica juega un papel importante en la solucin de los problemas de estabilidad de las labores.

Conclusiones

El presente trabajo, elaborado en base a las condiciones cambiantes propias del mtodo, al concepto de prueba error y a los conocimientos elevados de la Geomecnica y la Ingeniera Geolgica, concluimos en lo siguiente: 1. Las debilidades de Rosaura para la aplicacin del mtodo tradicional, pasaron a ser fortalezas con las innovaciones realizadas considerando las condiciones adversas para la aplicacin del mtodo. Por lo tanto, dada las condiciones y caractersticas geomecnicas propias de Rosaura, justifica ser considerado una variante del mtodo, llamndolo Sub Level Caving Mejorado Tipo Rosaura. 2. La aplicacin de conocimientos geomecnicos a todo el personal de mina, sirve como una herramienta de gestin en seguridad, logrando aumentar el valor agregado del personal y ayudando a lograr el objetivo de cero accidentes por cada de roca.

2.2. BASES TERICAS

2.2.1. Generalidades

2.2.1.1. LocalizacinEl Yacimiento Mineral de Rosaura est ubicado en el distrito metalogentico de Casapalca y geogrficamente esta en los parajes de la quebrada Santa Rosa y quebrada Yauliyacu, distrito de Chicla, provincia de Huarochir, departamento de Lima, alrededor de las siguientes coordenadas UTM: 362897 E; 8708546 N.El acceso se realiza de Lima a Rosaura por la carretera central recorriendo una distancia de 110 kilmetros.

Fig.1: Plano de ubicacin de la mina Rosaura

2.2.1.2. Historia del yacimientoUna breve historia del yacimiento inicia en 1907 cuando fue requerido el registro de la concesin minera de la Mina Rosaura. De 1946 hasta Julio de 1954 fueran extradas artesanalmente 22503 t de mineral.Ms tarde fueron abiertos el Nivel 40 (4270m) y los niveles 130 (4190m) y 170 (4135m). Estos niveles fueron abiertos parte en desmonte y parte en mineral buscando siempre mejores condiciones geomecnicas para hacer el desarrollo. El mineral era accesado por pequeos cruceros.En el lapso 1999 a 2000 fueron retomados los trabajos de exploracin, realizndose compilacin de los datos antiguos, nuevos mapeos geolgicos en superficie, muestreo de las estructuras, levantamientos topogrficos ms precisos y campaa de taladros diamantinos a partir del nivel 4090. Este trabajo fue realizado por Perubar S.A. El ao 2000 se realiz la evaluacin econmica del yacimiento y se inici la explotacin del yacimiento mineral de Rosaura.

2.2.2. Geologa local

2.2.2.1. EstratigrafaLa secuencia litoestratigrfica que aflora en el distrito mineral deCasapalca, est Comprendido desde el Cretceo hasta el Cuaternario. La columna generalizada es:

Fig.2: Secuencia Litoestatigrfica de la mina Rosaura

a) TerciarioFormacin Casapalca:Constituye la formacin ms antigua y no aflora en el rea de la mina, su presencia es regional y comprende una serie de rocas sedimentarias de ambiente continental. Esta formacin ha sido dividida en dos miembros.Capas Rojas: Este miembro se caracteriza por intercalaciones de lutitas y areniscas calcreas, presentando el conjunto coloraciones rojizas debido a finas diseminaciones de hematita. Las areniscas son de grano fino a grueso y comnmente presentan una dbil estratificacin.No han sido definido su relacin con la Fm. Celendn, ni fsiles dentro de las capas rojas que hagan posible la asignacin de una edad precisa; sin embargo por su correlacin estratigrfica se le ha asignado una edad que puede estar entre fines del Cretceo y comienzos del Terciario (T.S. Szekely 1967).Conglomerado Carmen: Sobreyaciendo a las capas rojas se encuentra una serie de paquetes de conglomerado y calizas intercaladas con capas de areniscas y lutitas de una potencia que vara de 80 a 200 m denominado miembro Carmen. Los conglomerados que tambin se presentan en lentes, estn compuestos de guijarros y rodados de cuarcitas y calizas con una matriz areno-arcillosa y cemento calcreo.

Formacin Carlos Francisco:Sobre las rocas sedimentarias se encuentra una potente serie de rocas volcnicas a las que se ha denominado formacin Carlos Francisco. Esta formacin ha sido dividida en tres miembros:Volcnicos Tablachaca: Sobre yaciendo al miembro Carmen y separado de ste, por lutitas de potencia variable, se encuentra una sucesin de rocas volcnicas constituidas por tufos, brechas, conglomerados, aglomerados y rocas porfirticas efusivas que forman el miembro Tablachaca.Volcnicos Carlos Francisco: Sobre el miembro Tablachaca se encuentra el volcnico Carlos Francisco conformado por flujos andesticos masivos y fragmentados (brecha). Las capas de brecha consisten de fragmentos porfirticos angulares, generalmente verdosos, incluidos en una matriz de roca porfirtica rojiza. Intercaladas con las brechas estn las andesitas porfirticas que varan de gris oscuro a verde.. Las brechas piro clsticas estn formadas por fragmentos angulosos a sub redondeados con una matriz rojiza. El tamao de los fragmentos llega hasta 0.15m.

b) CuaternarioEl cuaternario est representado en la regin por una serie de depsitos glaciares y conos de escombros de formacin reciente.Pleistoceno: Debajo de los depsitos glaciares recientes existen potentes series de morrenas terminales a elevaciones aproximadas de 4,300 a 4,500 msnm. No han sido encontrados signos de glaciacin debajo de estas elevaciones en el valle del Rmac; sin embargo en otros valles, depsitos glaciares fueron encontrados en elevaciones de 3900 msnm. (H.E.Mckinstry y J.A. Noble, 1932).Reciente: Consiste de materiales in consolidados compuestos por clastos angulosos de diversos tamaos, que forman conos y taludes.

2.2.2.2. Intrusivos

En el distrito afloran varios cuerpos intrusivos que son de composicin intermedia, qumicamente similares con alto contenido de soda, aunque varan en la textura y alteracin.

2.2.2.3. Plegamiento y Fracturamiento

Las unidades estratigrficas en el distrito estn plegadas, teniendo sus ejes un rumbo general de N 20 W.

Fig.3: Seccin Transversal, donde se muestran los principales plegamientos y fracturas

2.2.2.4. Mineralizacin

La mineralizacin polimetlica de Rosaura est situado dentro de una zona de falla sub. Vertical con un ancho comprendido aproximadamente entre 5m a 25m y una longitud de 360m a 400m a lo largo de la falla, cuya orientacin oscila N 50-55 W.La mineralizacin se presenta como relleno de fracturas. Los minerales principales son esfalerita, galena, calcopirita, carbonatos y alguna tetraedrita; la ganga consiste de cuarzo, calcita, sericita y yeso.Estas fracturas sufrieron una reactivacin posterior a la mineralizacin lo que hace que los bloques de mineral estn dispersos dentro de una matriz constituida por panizo de falla. Tambin ocurre reemplazamiento en horizontes favorables de calizas, como se present hacia el NW en la veta dos de Mayo a manera de Split de la veta Rosaura, cuyas caractersticas de mineralizacin fueron muy favorables para su explotacin, a la fecha ya explotada y con resultados muy favorables.Las leyes son bastante variables, de modo general, en una seccin con direccin noreste, avanzando de suroeste a noreste (caja techo para caja piso) se tiene inicialmente una zona de baja ley, despus la mineralizacin de ms alta ley, localmente con sulfuro macizo y finalmente el contacto con la caja piso que normalmente es ms definido que el contacto con la caja techo. El intenso fracturamiento tanto de las rocas cajas como en el mineral hace que se tenga una percolacin intensa de agua. A medida que se va desarrollando niveles inferiores, los superiores van gradualmente secando. Dentro del rea principal de explotacin del depsito mineral de Rosaura el soporte es insuficiente e inestable e imposible de tener un auto soporte ya que se tiene una zona de falla intensamente fracturada con un RMR menor de 20 dentro de la zona mineralizada y un RMR de 35 en las cajas.

2.2.2.5. Control Mineralgico

El control principal de la mineralizacin es estructural, orientado predominantemente NW SE concordante con la estructura de falla regional que divide las unidades de Carlos Francisco hacia el Este y de la formacin Bellavista al Oeste.Tambin tienen un control estratigrfico ya que dentro de la mineralizacin hay importantes emplazamientos de horizontes de caliza como el de la veta Dos de Mayo, con valores en leyes mayores que la mineralizacin controlada estructuralmente.

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PROYECTOS MINEROSFig.4: Seccin 500 de la mina Rosaura

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Fig.6: Vista geolgica de planta Nv. 4090 mina Rosaura

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2.2.3. Geomecnica

2.2.3.1. Aspectos LitolgicosEl cuerpo mineralizado de Rosaura se encuentra emplazado dentro de una brecha de falla tectnica. Esta brecha tena un espesor que variaba entre 25 a 30 metros en los niveles superiores (Nv. 3990) e incrementndose hasta 70 metros aproximadamente en los niveles inferiores, producto de una gran falla regional. La roca encajonarte es un derrame lvico de origen andestico, intercaladas con lentes calcreos de calizas margosas.Por indicios de campo, se puede afirmar que la mineralizacin se introdujo por la caja piso de la brecha, reemplazndola con una potencia de 20 metros de promedio, espesor que comenz a crecer a partir del nivel 3950 hasta aproximadamente 40 metros.Por levantamientos tectnicos regionales, la falla entro en reactivacin deformando y alterando el cuerpo mineralizado dndole una forma irregular con potencias variables.Se aprecia que en el contacto de la brecha de falla y la roca caja techo (donde se desarrollan los accesos y rampa), la alteracin es muy fuerte llegando a reducir considerablemente su calidad hasta los 15 primeros metros de contacto. La brecha de falla que se encuentra entre el tope de la roca caja techo y la mineralizacin, tiene propiedades expansivas, en este tramo se registran las mayores deformaciones por presiones laterales. Estas deformaciones se dan en los Draw Point que todava no se explotan, por lo tanto se tendr que controlar estas deformaciones por medio de descargue de los hastales.En la zona mineralizada, la mayor deformacin se da por presiones verticales, producto de la carga muerta que se produce por el mtodo de minado. Esta deformacin recin se da cuando se empieza con la explotacin, por lo que requiere una adecuada velocidad de minado.No se aprecia mucha alteracin en la caja piso y tampoco se observa una zona panizada en el contacto, por lo que presume que la intrusin del mineral se dio por la caja piso.

2.2.3.2. Clasificacin de la masa rocosaPara clasificar geomecnicamente a la masa rocosa se utiliz la informacin desarrollada precedentemente, aplicando los criterios de clasificacin geomecnica de Bieniawski (RMR Valoracin del Macizo Rocoso 1989), Barton y Colaboradores (Sistema Q 1974) y Marinos & Hoek (GSI Geological Strenght Index 2002).Los valores de resistencia compresiva de la roca intacta, fueron obtenidos conforme a los procedimientos sealados ms adelante. Los valores del ndice de calidad de la roca (RQD) fueron determinados mediante el registro lineal de discontinuidades, utilizando la relacin propuesta por Priest & Hudson (1986), teniendo como parmetro de entrada principal la frecuencia de fracturamiento por metro lineal. El criterio adoptado para clasificar a la masa rocosa se presenta en el Cuadro 1.

Cuadro 1: Criterio de Clasificacin de la masa rocosa

Tipo de rocaRango RMRRango QCalidad segn RMR

II605.92Buena

IIIA51-602.18-5.92Regular A

IIIB41-500.72-1.95Regular B

IVA31-400.24-0.64Mala A

IVB21-300.08-0.21Mala B

V200.07Muy Mala

A partir de estos resultados podemos concluir la siguiente zonificacin geomecnica: Zona A: Corresponde a la caja techo propiamente dicha, se trata de derrames lvicos andesticos ubicados de 20 a 30 metros de la estructura, de RQD = 25-30% y condicin hmeda. Geomecnicamente tiene valores RMR > 30; Q > 0.2 y GSI = MF/R. Zona B: Corresponde a la zona de alteracin de la caja techo. La fuerte alteracin se debe a su cercana con la brecha mineralizada. Tiene RQD< 25% y en contacto con la brecha se presentan goteras de agua. Su calidad de roca disminuye conforme se acerca al contacto con la brecha de falla. Geomecnicamente tiene valores RMR < 25; Q < 0.2 y GSI =IF/P-MP. Su espesor vara de 15 a 20 metros y se vuelve muy irregulares los niveles inferiores. Zona C: Brecha de falla tectnica, se encuentra muy alterada y se disgrega fcilmente. Su calidad se reduce considerablemente por la presencia de agua. Tiene propiedades expansivas y en esta zona se registran las mayores deformaciones de cimbras. Geomecnicamente presenta valores RQD = 0 RMR < 20; Q < 0.07 y GSI = T/MP. Presenta diseminado cerca al mineral masivo y en ella se registraban flujos de agua que originan los soplados, los que fueron reducidos por la campaa de taladros de drenaje realizados. Su espesor es variable. Zona D: Mineral masivo a diseminado por movimiento tectnico, se presenta poco dura a friable. En contacto con el piso se presenta diseminado con brecha. Geomecnicamente presenta valores RQD = 0 RMR < 20; Q < 0.07 y GSI = T/MP. Zona E: Valor GSI = T/MP. Sus valores geomecnicos son similares al de la zona C, mejorando su calidad conforme se aleja de la brecha mineralizada. Zona F: Zona de alteracin de la caja piso. Sus valores geomecnicos son similares al de la zona B. GSI = IF/P-MP

Fig.7: Zonificacin geomecnica (Seccin transversal)

Fig.8: Zonificacin geomecnica (vista en planta)

Foto N1:

Foto N3:

2.2.3.3. Resistencia de la roca Resistencia de la roca Intacta

Uno de los parmetros ms importantes del comportamiento mecnico de la masa rocosa, es la resistencia compresiva no confinada de la roca intacta (c). Durante los trabajos de campo, como parte del mapeo geotcnico, se intent realizar ensayos de dureza con el Martillo Schmidt para estimar la resistencia compresiva de la roca intacta, sin lograrse respuesta de la roca a la medicin de esta propiedad, debido a su intenso grado de fracturamiento y debilitamiento. Se intent tambin extraer muestras para ensayos de laboratorio, pero por las mismas razones, no fue posible obtener muestras adecuadas; solo se obtuvieron muestras de la caja piso inmediata y de la caja techo alejada, pero en condiciones que representan el rango superior, por lo que no necesariamente son representativas de las condiciones promedio. Lo que finalmente se hizo, es estimar la resistencia compresiva con el mtodo del martillo de gelogo de acuerdo a las normas sugeridas por ISRM. Se muestra un resumen en el Cuadro2.Cuadro N2: Resistencia compresiva de la roca intacta

ZONADESCRPCINRMRQGSIRcmi

ATecho alejado30-400.21-0.64MF/R3725.19

BTecho inmediato20-300.07-0.21IF/P1512.8

CBrecha de falla200.07T/MP310

DMineral200.07T/P-MP310

EPiso inmediato20-300.07-0.21IF/P1512.8

Cuadro N3: Parmetros mi, C, Phi

MUESTRAUBICACINmiCOHESION (Mpa)ANGULO DE FRICCIN

Tufo andesticoZONA E12.183.8739.4

AndesitaZONA A25.188.2248.9

Resistencia de las discontinuidades

Desde el punto de vista de la estabilidad estructuralmente controlada, es importante conocer las caractersticas de resistencia al corte de las discontinuidades, puesto que estas constituyen superficies de debilidad de la masa rocosa y por tanto planos potenciales de falla. La resistencia al corte en este caso est regida por los parmetros de friccin y cohesin de los criterios de falla Mohr-Coulomb.Por los diferentes aspectos sealados anteriormente (Zonificacin geomecnica), la estabilidad estructuralmente controlada pasa a segundo plano, siendo de mayor importancia la resistencia de la roca intacta y de la masa rocosa.Para el caso de los taludes del rea de subsidencia, los parmetros de Mohr Coulomb sern estimados a partir del retroanlisis (back anlisis) que se llevar a cabo ms adelante.

Resistencia de la masa rocosa

Las propiedades de resistencia de la masa rocosa, referidas a la compresin,traccin, parmetros de corte y constantes elsticas, fueron estimadas utilizando el criterio de falla de Hoek & Brown (Hoek et.al., 1992) y (Hoek et.al., 2002 Programa RocLab).Los resultados se presentan en el Cuadro 5.4, para valores promedio de calidad de la roca y de resistencia compresiva no confinada, mostrado en los Cuadros 2 y 3.Cuadro N4: Resistencia de las discontinuidades

TIPO DE ROCAZONAPROPIEDADES DE LA MASA ROCOSA

Rc(Mpa)Rt(Mpa)C(Mpa)Phi()Em(Mpa)

IVA0.8430.0150.2862225000.28

IV-BB0.1660.0040.145128700.3

VC-D0.0100.00030.02081900.35

2.2.3.4. Condiciones de la masa rocosaEstas condiciones estn referidas a las caractersticas de expansin (swelling rock) en presencia de agua y a las caractersticas de alta deformabilidad (squeezing rock) de la masa rocosa del yacimiento Rosaura.

Rocas Expansivas:

En Julio del ao 2003, se realizaron pruebas de hinchamiento en muestras rocosas de mineral y cajas de la veta falla Rosaura. Los resultados de estas pruebas indicaron que el mineral (muestra M-1) present valores de 0.44 % y 1 KPa, respectivamente para la expansin libre y para la presin de control de la expansin, lo cual indica que este material tiene caractersticas de bajo hinchamiento. El desmonte de caja, present valores de 7.85 % y 9 KPa, respectivamente para la expansin libre y para la presin de control de la expansin, lo cual indica que este material tiene caractersticas de moderado hinchamiento.Por otro lado, los anlisis por difractometra de rayos X llevados a cabo tambin en aquella fecha, indicaron la presencia de montmorrillonita (3 % en el mineral y 8 % en el desmonte), material tpicamente expansivo. Tambin indicaron la presencia de clinocloro (22 % en el mineral y 7 % en el desmonte), que son arcillas de capas mixtas correspondientes al grupo de las cloritas y pueden transformarse a montmorrillonita por hidrlisis y accin del cido sulfrico natural, formado por la hidrlisis de los sulfuros y reaccin con los carbonatos de calcio.Por otro lado, los anlisis de las muestras de agua indicaron pHs neutros, sin embargo, la presencia de cantidad de sulfatos (baja en el Nv. 4190, alta en el Nv. 4150 y moderada en el Nv. 4090), podra indicar la presencia de cido sulfrico natural, aunque muy diluido pero suficiente para causar la transformacin del clinocloro a montmorrillonita. El agua muestreada ya habra sido neutralizada por los carbonatos.Considerando estos aspectos mineralgicos y qumicos, se puede concluir que el terreno de Rosaura y principalmente las cajas, tiene caractersticas expansivas (swelling rock) y el hinchamiento de los mismos est influyendo en parte sobre la alta deformacin del terreno y de las cimbras.

Rocas de alta deformabilidad

Las rocas de alta deformabilidad o conocidas tambin como squeezing rock, son aquellas rocas circundantes a las excavaciones que muestran deformaciones en funcin del tiempo; aqu, los esfuerzos han excedido la resistencia de la masa rocosa o el lmite de fluencia, ocurriendo entonces que esta se deforme plsticamente. Este hecho explica la alta deformabilidad de la masa rocosa de Rosaura.Actualmente, no hay tcnicas de diseo cuantitativo para tratar los problemas de expansin y alta deformabilidad de las rocas de excavaciones subterrneas de un yacimiento. Lo que se suele hacer es permitir que la roca se deforme un tanto, antes de instalar el sostenimiento, pero el problema radica en la determinacin de la magnitud de la deformacin que puede ser permitida antes que se d una prdida significativa de la resistencia de la masa rocosa.

2.2.3.5. Condiciones de agua subterrneaEs indudable que la presencia del agua es desde todo punto de vista daina para las condiciones de estabilidad de las labores mineras. Lo que se observa en el campo es evidente. Las reas de la mina con mayor presencia de agua son ms inestables que aquellas dnde la presencia del agua es menor. Aun ignorando el posible problema del hinchamiento del terreno, el agua ejerce un efecto muy negativo en la estabilidad de las labores mineras, desde que incentiva la alta deformabilidad en este tipo de terreno.En los niveles superiores prcticamente no hubo presencia de agua, conforme el minado fue avanzando en descenso, el agua apareci en forma de flujo significativo en el extremo NW del yacimiento. Actualmente se registra un flujo de 150 l/s. En los niveles inferiores del minado actual, el agua est migrando hacia el SE por percolacin a travs de la masa rocosa. Como consecuencia de esto, en los niveles inferiores se est observando cada vez condiciones geomecnica de la masa rocosa ms difciles que los niveles superiores, que complican el minado. Por ello en PERUBAR S.A. se han realizado hasta la fecha 12 taladros de drenaje que han ayudado a reducir el nivel fretico del agua., pero adems se efectan peridicamente (Para la poca de lluvias) obras de drenaje en superficie, puesto que se ha observado en el rea de subsidencia signos importantes de escorrentas (crcavas), que podran complicar ms el problema de las inestabilidades tanto subterrneas como en superficie.

2.2.3.6. EsfuerzosLa zona de la presente evaluacin est relativamente a poca profundidad respecto a la superficie del terreno, por lo que se esperara que los esfuerzos sean de magnitud relativamente pequeos. Se ha estimado el esfuerzo vertical a partir del criterio de carga litosttica (Hoek & Brown, 1978), considerando profundidades de excavaciones de 200 a 300 m, que es la profundidad conocida de la mineralizacin; segn este criterio, el esfuerzo vertical in-situ resulta aproximadamente en el rango de 5 a 9 MPa. La constante k (relacin de los esfuerzos horizontal a vertical) para determinar el esfuerzo in-situ horizontal, fue estimado utilizando el criterio de Sheorey (1994), segn esto k sera aproximadamente 0.56, con el que se obtiene un esfuerzo horizontal in-situ entre 2.5 a 4.5 MPa. Sin embargo, es necesario aclarar que los esfuerzos indicados en el prrafo anterior no consideran el efecto de la topografa del terreno superficial, lo cual es importante para este caso, por encontrarse el rea de minado al pie de un gran talud natural de casi 850 m de altura. Como se ver ms adelante, en los modelamientos numricos efectuados, este hecho significa esfuerzos horizontales por carga gravitacional en el rango de 10 a 15 MPa y esfuerzos verticales de 5 a 10 MPa, es decir el esfuerzo horizontal es mayor que el esfuerzo vertical en el rea de minado.Considerando los valores sealados de esfuerzos y la resistencia de la roca intacta, el Factor de competencia = Resistencia compresiva uniaxial/ Esfuerzo vertical es < 2 o ligeramente > 2; el primer caso indica que estos esfuerzos producen un sobreesforzamiento inmediato despus de ejecutada la excavacin, requiriendo sostenimiento permanente; y el segundo indica que se producira en la masa rocosa nicamente deformaciones plsticas. Estos aspectos son evidentes a simple observacin en mina Rosaura.

2.3. MARCO CONCEPTUAL

2.3.1. Importancia del acero

Las cualidades del acero como material de sostenimiento lo han llevado a desplazar a la madera en muchas minas, especialmente en las de carbn en donde las galeras se mantienen abiertas hasta 10 aos como galeras de arrastre y retorno para el aire de ventilacin. Las caractersticas bsicas del acero se pueden resumir como sigue:

1. Es un material muy homogneo, manufacturado metalrgicamente, libre de defectos naturales, por lo que se pueden usar en el diseo factores de seguridad ms bajos.

2. El acero tiene mdulo de Young (E = 210 000 x MPa) mucho ms elevado que otros materiales estructurales, lo que le da una ventaja contra las deformaciones, flambeo, etc.

3. El acero se puede manufacturar en forma de aleaciones que tienen un conjunto de los altos requerimientos para el diseo.

4. El acero es el material que resulta menos afectado por las condiciones atmosfricas como la temperatura y la humedad.

5. Como material, se puede volver a usar al enderezarse. Los ademes o fortificaciones completamente deformadas, pueden aprovecharse como chatarra.

6. Por otra parte, es un material muy costoso. Los tneles o socavones que estn apoyados en arcos de acero, representan un costo importante de capital que las minas ms pequeas no se pueden permitir. (Cemal Biron & Ergin Arioglu).

2.3.2 Caractersticas Generales del acero

2.3.2.1. Estructura QumicaQumicamente, el acero es una aleacin de hierro y de carbono. Existen algunos materiales como el fsforo (0.01-0.04%) y el azufre (0.01-0.04%), que se presentan como impurezas y otros materiales, los ms comunes son:

Manganeso: Neutraliza la perniciosa influencia del azufre y del oxgeno, desoxidante, permite laminar y forjar aceros, (0.3-0.8%). Silicio: Aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante, aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono. Nquel: Produce gran tenacidad, permite descender los puntos crticos, incrementa el lmite de elasticidad, destaca en los aceros Cr-Ni, Cr-Ni-Mo, utilizado en la fabricacin de aceros inoxidables, se encuentra en un 8-20% en los aceros. Cromo: Elemento especial ms utilizado en la aleacin de aceros, vara de 0.3-30%, incrementa la dureza y la resistencia a la traccin, mejora la templabilidad, Aumenta la resistencia al desgaste, Forma carburos muy duros, Proporciona caractersticas inoxidables y refractarias. Molibdeno: Aumenta la profundidad de endurecimiento, aumenta la tenacidad, aumenta la resistencia a la corrosin.

Para los ademes de acero en las minas, se usa un acero comn de resistencia 37-52 ksi y que satisface la mayora de las especificaciones estructurales. Las aleaciones se utilizan para satisfacer condiciones especiales.La tabla de composicin qumica segn la norma de acero se muestra en la tabla 1.

2.3.2.2. Caractersticas Mecnicas En el estudio sobre las caractersticas mecnicas del acero se tienen que considerar la relacin esfuerzo-deformacin, la resistencia, los tipos de ruptura, la dureza y el diseo.

Relacin esfuerzo-deformacin. La figura 9 muestra una curva tpica de esfuerzo-deformacin. Esta es la curva comn en donde el mdulo de elasticidad de Young se toma como E = 2.1 x 106 Kg/cm2. La proporcin lineal contina hasta el punto 0.2% de deformacin. Despus de este punto, tiene lugar un espacio de fluencia con deformaciones constantes, y la falla sucede despus que se ha alcanzado estos lmites. (Cemal Biron & Ergin Arioglu).

Fig.9: Curva Esfuerzo VS. Deformacin

La resistencia a la ruptura por tensin del acero se proporciona en la frmula emprica siguiente:

= 0.00077 (38000 + C [700+2.94Mn) + 30Mn + Mn/200(48+2.35C) + 1000P + 340Si]

Dnde: = Esfuerzo a la ruptura por tensin, KSIC = Carbono, 0.01%Mn = Manganeso, 0.01%P = Fosforo, 0.01%Si = Silicio, 0.01%

El carbono es el factor ms importante en la resistencia a la tensin dentro de los lmites elsticos del acero y la elongacin en el punto de ruptura. Estas propiedades se muestran en la figura 10.Las propiedades fsicas del acero y sus usos, se presenta en la tabla 4, el uso de la frmula emprica de clculo de resistencia a la tensin para la mina Rosaura se muestra en la fig. 12.

Tipo de Falla. El acero se fractura tanto por la tendencia a la ductilidad como a la fragilidad. En el caso de la ductilidad, la deformacin de ruptura es de 100 a 200 veces la deformacin de flujo (punto de fluencia). El material alcanza la deformacin plstica. Por lo general, esto sucede en aceros con bajo contenido de carbono y es una caracterstica conveniente para el diseo. La falla por fragilidad se presenta en aceros con alto contenido de carbono en donde la deformacin es bastante pequea y las superficies de ruptura son rugosas. No existe punto definido de cadencia (fluencia).

2.3.2.3. Caractersticas de los Elementos Estructurales del Sostenimiento Las caractersticas que se deben considerar en los elementos estructurales de un sostenimiento o una fortificacin son: el perfil del material (rea de su seccin transversal), los momentos de las fuerzas, la relacin de Rankin y los esfuerzos permisibles.

Perfil del material. La resistencia en una viga es proporcional a su perfil (rea de seccin transversal). El peso y el valor (Costo) de la viga son tambin proporcionales al rea de la seccin. El uso de perfiles pesados tiene ciertas limitaciones en las minas que necesitan de materiales ligeros a medianamente pesados. El rea de la seccin y el peso de las vigas Wide flange se dan en la tabla 5. Las secciones transversales Toussaint-Heinzmann (T-H) se tabulan en la tabla 7 y se la observa en la fig.15.

Momentos de inercia y mdulos de seccin. Las tablas 5 y 7 tambin dan valores para el momento de inercia I (en centmetros elevados a la cuarta potencia) y para mdulos de seccin (en centmetros cbicos). Estos valores varan segn los ejes x-x y y-y, como se muestra en la figura 15, y se usa en el diseo. Relacin Rankin. Esta es la relacin entre el esfuerzo de compresin y el esfuerzo de flambeo (pandeo) en una viga de 2m de longitud. La relacin es siempre mayor que 1, pero es ventajoso para el diseo que se aproxime a 1. Esfuerzo permisible. El acero normal (Resistencia 37) tiene un esfuerzo permisible de 1400 kg/cm2 y un esfuerzo que origina deformacin plstica de 2400 kg/cm2. El factor de seguridad es 2400/1400=1.71.

Tabla 1: Propiedades Qumicas segn las normas del acero

Tabla 2: Propiedades Mecnicas segn las normas del acero

Tabla 4: Propiedades Mecnicas segn las normas del acero.

Fig.11: Radio mnimo de rolando.

Tabla 3: Capacidad de curvado en frio de perfiles estructurales.

Fig.12: Formula de resistencia a la ruptura por tensin.

Para seleccionar entre las vigas ofertadas (Norma A-36 y Norma HQ 235B) disponibles en el mercado para la fabricacin de cimbra se utiliz la frmula emprica anterior, obtenindose los siguientes resultados:

Fig.13: Calculo de resistencia a la ruptura por tensin.

48

Limite Elstico(Kp/mm2)Resistencia a la traccin (Kp/mm2)Alargamiento %Resistencias DVN promedio (j)

TE-31Mn 4S/DIN 21544=34=55=1818

Tabla 6: Propiedades mecnicas de las vigas T-H.

Fig.14: Perfil de viga Wide T-H.

Tabla 7: Propiedades geomtricas de los perfiles vigas T-H.

2.3.3 Arcos de acero (cimbras)

2.3.3.1 GeneralidadesEste tpico sostenimiento pasivo o soporte es utilizado generalmente para el sostenimiento permanente de labores de avance, en condiciones de masa rocosa intensamente fracturada y/o muy dbil, que le confieren calidad mala a muy mala, sometida a condiciones de altos esfuerzos. Para lograr un control efectivo de la estabilidad en tales condiciones de terreno, las cimbras son utilizadas debido a su excelente resistencia mecnica y sus propiedades de deformacin, lo cual contrarresta el cierre de la excavacin y evita su ruptura prematura. La ventaja es que este sistema contina proporcionando soporte despus que hayan ocurrido deformaciones importantes.

Las cimbras son construidas con perfiles de acero, segn los requerimientos de la forma de la seccin de la excavacin, es decir, en forma de bal, herradura o incluso circulares, siendo recomendable que stos sean de alma llena. Hay dos tipos de cimbras, las denominadas rgidas y las deslizantes o fluyentes. Las primeras usan comnmente perfiles como la W, H, e I, conformadas por dos o tres segmentos que son unidos por platinas y pernos con tuerca. Las segundas usan perfiles como las V y U, conformadas usualmente por dos o tres segmentos que se deslizan entre s, sujetados y ajustados con uniones de tornillo.

En la mina Rosaura se utilizan los dos tipos de cimbra siendo la ms utilizada durante el ao 2007 hasta la fecha las cimbras deslizantes de perfil omega por las razones que se vern ms adelante.

2.3.3.2 Cimbras Rgidasa) Descripcin de las cimbras

Componentes y CalidadesPara el rango de los tamaos de las excavaciones en la mina Rosaura, las cimbras rgidas comnmente utilizadas son:

CIMBRAS

TIPON PIEZASMEDIDAS

6H2O23.25x3.2

6H2O23.0x3.2

4H1323.0x3.2

Tabla 8: Tipos de cimbras usados en la U.M Rosaura

Las cimbras 4W13 perfiles Wide flange (patn ancho) o perfil W" de 4x 4 y 13 lb/pie, espaciadas de 0.5 a 1 m, las mismas que corresponden a cimbras ligeras para excavaciones de 3 m de abierto.En caso de altas presiones del terreno, estas cimbras podran construirse a seccin completa, colocando una solera (invert) centre las patas (Segn las condiciones del terreno).En los casos que las cimbras indicadas no fueran suficientes, por las altas presiones de la roca, pueden utilizarse cimbras medianas como las del tipo 6W20. Las cimbras 6W20 tambin son comnmente utilizadas para excavaciones con abiertos de hasta 5 m.Para que el sistema de soporte pueda actuar debidamente, es necesario considerar algunos aspectos importantes en su instalacin.

b) Diseo de Arcos Rgidos

Para poder saber cunto de carga deber soportar las cimbras primero debemos calcular la presin de la roca circundante a la excavacin. Adems se quiere determinar el espaciamiento adecuado para cada tipo de cimbra.Los diseos se orientaron a determinar el tipo cimbra que se usar segn la zonificacin geomecnica realizada en la mina Rosaura, dentro del cual tenemos:1. Zona A2. Zona B3. Zona CLa metodologa de clculo actualmente usada la de Terzaghi (1946) para el clculo de la presin vertical del terreno y la formula de Protodiakonov para el clculo de las presiones laterales., por considerarse que mejor se adecua a las condiciones del terreno. Sin embargo en la presente tesis se est utilizando metodologa de Cemal Biron (1987), lo cual nos permitir comparar cual mtodo de diseo se aproxima ms a nuestra realidad.

La metodologa de clculo actualmente usada la de Terzaghi (1946) para el clculo de la presin vertical del terreno y la formula de Protodiakonov para el clculo de las presiones laterales., por considerarse que mejor se adecua a las condiciones del terreno. Sin embargo en la presente tesis se est utilizando metodologa de Cemal Biron (1987), lo cual nos permitir comparar cual mtodo de diseo se aproxima ms a nuestra realidad.

b.1) DISEO 1: Metodologa de Terzaghi (1946)

Terzaghi (1946) formul el primer mtodo racional de evaluar las cargas que aplica la roca sobre las cerchas. Basndose en su experiencia en tneles ferrocarrileros de Norteamrica.Cabe resaltar que su aplicacin se limita a estimar la carga sobre las cerchas de acero en tneles y no es aplicable en los mtodos modernos de tunelera con aplicacin de concreto lanzado (Shotcrete) y pernos de roca. Terzaghi mantiene que desde un punto de vista ingenieril, puede ser mucho ms importante un conocimiento del tipo y frecuencia de los defectos de la roca que del tipo de roca que va a aparecer en la obra.En esta clasificacin se dividen los macizos rocosos en 9 tipos segn el grado de fracturacin de la roca Tabla 2.Se debe tener en cuenta la disposicin de la estratificacin respecto al tnel desde el punto de vista de desprendimientos. As se tiene:

Estratificacin Vertical, en general el techo ser estable, existiendo riesgo de cada de bloques en una altura de 0.25 B (B es la anchura del tnel). Estratificacin horizontal, pero de gran potencia, con pocas juntas, el tnel es estable. Estratificacin horizontal, de pequea potencia o con muchas juntas, ya no existe estabilidad, desarrollndose roturas en el techo, formndose un arco sobre el tnel, con una anchura igual a la del tnel y una altura igual a la mitad de la anchura. Esta inestabilidad proseguir su curso hasta que se detenga por medio de un sostenimiento.La distribucin de las cargas para el dimensionamiento del sostenimiento se hace suponiendo: Presin uniforme vertical sobre la bveda, de valor:Pv = Hp. Presin uniforme horizontal sobre las paredes, de valor:Ph = 0.3 Pv Presin uniforme sobre la solera, si la hay, de valor: Ps = 0.5 Pv

Los valores de Hp se obtienen de la tabla 9.

Las recomendaciones de Terzaghi son consideradas conservadoras para rocas de buena calidad y su campo de aplicacin es para tneles de tamao mediano, hasta 8 m de ancho. Es preferible no aplicarlos en terrenos de roca expansiva o que fluyen plsticamente.

Esquema ilustrativo de la metodologa de terzaghi

Tabla9: Segn la clasificacin de Terzaghi

Determinacin De La Carga De RocaSe determinar la carga que deben soportar las cimbras para cada zona geomecnica antes definida.Se calcula por:Pv = Hp x PePe = Peso Especfico (ton /m3)Hp = Altura de carga (m)

Zona A:(Siendo B y Ht, el ancho y la altura de la labor respectivamente)Hp = 0.25 x 3.2 = 0.8 mPe = 2,5 Ton/m3Pv = 0.8 x 2.5 = 2 Tn/m2Ph = 0.3 x 2 = 0.6 Tn/m2

Zona B:Hp = 0.35 x (3.2 + 3.2) = 2.24 mPe = 2,5 Ton/m3Pv = 2.24 x 2.5 = 5.6 Tn/m2Ph = 0.3 x 5.6 = 1.68 Tn/m2

Zona C:Hp = 1.1 x (3.2 + 3.2) = 7.0 mPe = 2.5 Ton/m3Pv = 7.0 x 2.5 = 17.6 Tn/m2Ph = 0.3 x 30.9 = 5.28 Tn/m2Pt = 2.8 tonPt = 16.8 tonPt = 6 ton

b.2) DISEO 2: Metodologa de Protodyakonov (1976)

Muy usada en los pases del este de Europa, en los que se utiliza para el dimensionamiento del sostenimiento de tneles. Fue aceptada en Francia en 1976 junto con la clasificacin de Deere.Protodyakonov clasifica los terrenos asignndoles un factor f llamado coeficiente de resistencia, a partir del cual y de las dimensiones del tnel, definen las cargas de clculo para dimensionar el sostenimiento.

Tabla 10: Tabla de coeficiente de resistencia de Protodyakonov

Protodyakonov determina el valor de f en funcin de la resistencia a la compresin simple, el ngulo de friccin interna y la cohesin.

PARA ROCAS: f = c/10PARA SUELOS: f = tg + C/cDnde:c = Resistencia compresin simple (Mpa) = Angulo de rozamiento internoC = Cohesin a largo plazo (Mpa).

La distribucin de cargas sobre el tnel para el dimensionamiento del sostenimiento se hace suponiendo:Presin uniforme vertical sobre la bvedaPv = .hPresin uniforme lateral.Ph = . (h + 0.5.m) tg2 (45+ /2)

Dnde:b = Anchura de la laborm = Altura del tnelf = Coeficiente de resistencia = Peso especfico de la roca= Angulo de rozamiento internoB = b + 2m.tg (45 - /2)h = B/2f

Determinacin De Las Cargas De Roca:

Zona A:b = Anchura de la labor = 3.2 mm = Altura del tnel= 3.2 mf =Coeficiente de resistencia = 5 = peso especfico de la roca = 2.5 Tn/m3= ngulo de rozamiento interno= 41 (segn rocLab)B = b + 2m.tg (45 - /2)= 6.1h = B/2f= 0.61Pv = .h = 1.5 Tn/m2Ph = 27.2 Tn/m2

b.3) DISEO 3: Metodologa de Cemal Biron (1987)

A diferencia del mtodo de Terzaghi y Protodyakonov, esta metodologa es mucho ms analtica y detallada que toma en consideracin el perfil de la viga y su resistencia. Para el clculo de la carga que debe soportar la cimbra usa la formulacin de Everling.

Anlisis de esfuerzos para un arco rgido.Muchos arcos rgidos pueden simplificarse dndoles forma semicircular, arriba de cierta distancia vertical.

En donde:

Ay = Reacciones de los lados, en toneladas.h' = Distancia vertical del arco, en metros.r = Radio del arco, en metros. = Angulo formado con la horizontal (ver fig.2.5)qt = Carga uniforme del techo, en toneladas por metro.M = Momento en toneladas/metroN = Fuerza normal al perfil, en toneladas.

Fig.15: Modelo esttico de un arco rgido idealizado de acero

Para disear los arcos rgidos, se debe conocer el momento mximo. Si se obtiene la derivada de la ecuacin (2.4) con respecto a , y se iguala a cero, se tiene que:

Los valores de M max y de N son para valores de de las ecuaciones (2.8) y (2.10) como sigue:

Los valores de la ecuacin (2.11) y (2.13) son mucho ms pequeos que los valores de las ecuaciones (2.12) y (2.14), respectivamente.

Diseo del perfil del aceroSe deben utilizar los valores de las ecuaciones 2.12 y 2.14 para calcular la seccin transversal del arco. El esfuerzo se deber determinar como sigue:

Dnde://= Valor absoluto del esfuerzo (ton/m2).F = rea de la seccin del perfil, (m2).W = Mdulo de seccin del perfil, (m3).sf = Esfuerzo permisible del acero para los ademes de las minas..

En la ecuacin (2.15), la seccin transversal y el mdulo de seccin aparecen como dos incgnitas: entonces, para un diseo conveniente. Se deber aplicar el mtodo de tanteos. Sin embargo, en las especificaciones DIN:

Aplicacin en Rosaura.Pondremos el perfil DIN apropiado para un arco rgido de un tnel, cuya rea de seccin es de 9.2 m2, espaciado a intervalos de 1 m, bajo condiciones tpicas del yacimiento Rosaura ( = 0.5, 1,1.5 = 2.5, 2.2, 2.75 ton/m3). Los datos se pueden resumir como sigue:Zona A:

L = Claro del tnel = 3.2 m.r = 1.5 m.h =1.5m.a = 1.0 m (espaciamiento de los arcos). = 0.5 (roca regular). = 2.5 ton/m3q t = La carga uniforme en el techo.= 0.5 x 3.2 m x 2.5 ton/m3 x 1.0m=4.0ton/m

Tabla 11: Tabla de Momentos y carga normal. Cimbras rgida, Zona A.

LLos valores mximos son los siguientes:

Fig.16: Modelo esttico de un arco rgido idealizado de acero. Grfica de momentos

Fig.17: Modelo esttico de un arco rgido idealizado de acero. Grfica de carga normal

Fig.18: Esquema del sostenimiento con cimbras rgidas

Foto N4: Labor de sostenimiento con cimbras rgidas

2.3.3.3 Cimbras Cedentesa) Descripcin de los arcos cedentes

Componentes y calidadesLos arcos cedentes se componen de dos o tres secciones. Para los arcos de 2 secciones, ambas mitades deslizan uno respecto a la otra. En el caso de 3 secciones, la seccin superior se desliza entre los elementos laterales. Aproximadamente cada 15 das, los elementos tensores se aflojan y los arcos se deslizan y convergen; de esta manera, los esfuerzos se aminoran en ellos y se eliminan las deformaciones.Para el rango de los tamaos de las excavaciones de la mina Rosaura, las cimbras deslizantes comnmente utilizadas son:

Tabla 15: Cimbras omega usadas en la mina Rosaura

CIMBRAS

TIPON PIEZASDIMENSIONES

THN-2123.00 x3.2

THN-2923.00X3.2

Las cimbras THN-21, perfil Toussaint y Heinzmann de 21 kg/m y de manera similar se explican los dems perfiles, siendo las cimbras deslizantes ms robustas de Rosaura la THN-34 que se utilizan para condiciones de carga mayores. Es decir en las zonas con peor condicin de roca.Toussaint y Heinzmann disearon los primeros arcos cedentes con los perfiles en forma de U como se muestran en la figura 2.12. Despus de que termin la patente se han vendido otras formas de arcos cedentes como los "Glocken" y los "kunstler" con seccin en V: as como solera de fierro que se colocan en la forma de U.Los arcos cedentes, durante el ao 2007 ha ido desplazando a las cimbras rgidas en la mina Rosaura extendiendose su uso en un 60% del total de cimbras utilizadas. Generalmente las encontramos en las labores de desarrollo. Los arcos tpicos Toussaint Heinzmann que se utilizan en la mina Rosaura se muestran en la figura 2.13, y sus dimensiones se resumen en la tabla 11.

b) Diseo de arcos deslizantes

Una de las cuestiones ms importantes es la eleccin del tipo de cuadro ms conveniente. Existen una serie de factores que afectan al tipo de cuadro a escoger tales como la litologa, buzamiento de las capas, vida til que se prev de la galera etc. Y como consecuencia de esos factores se puede acudir a diferentes tipos de cuadro en funcin de:

Kg/m de acero N de elementos del cuadro Disposicin de los elementos (simtrico o asimtrico) Convergencia de las patas del cuadro. Etc.

Clculo estimado de los arcos cedentes

Los arcos cedentes al disminuir 30 40 cm de altura, no pueden proporcionar un modelo esttico para los clculos. La estimacin de las dimensiones se hace segn el criterio de convergencia del camino principal. Las frmulas y las tablas siguientes hacen estimaciones de las condiciones para los ademes cedentes en las minas alemanas.

En donde:

K = Convergencia final, en por ciento.K' = Hinchazn del suelo, en por ciento.Y = Cierre de los lados, en por ciento.H = Profundidad de la entrada, en metros.m = Espesor del manto, en metros.Kt = Coeficiente, segn el ademe de las nervaduras de la entrada (tabla 2.9).Kf = Coeficiente segn la roca del suelo (tabla 2.10).K/K < 0.7 perfiles cedentes. 26 a 29 kg/m.K/K > 0.7 perfiles cedentes. 30 a 36 kg/m.Ademe de las nervaduras laterales de la entradaKt

Materiales solidificados como anhidrita o concreto fluido1

Cuas de madera2

Relleno a mano3

Tabla 16: Coeficiente Kt, segn el ademe de las nervaduras laterales de la entrada

Tabla 17: Coeficiente Kf, segn la roca del techo

Roca del techoKt

Arenisca1

Lutitas arenosas2

Lutitas3

Roca muy deformada4

Carbn5

Carbn + lutitas + roca deformada6

Aplicacin en la Mina Rosaura

Calclese el tamao de los arcos Toussaint-Heinzmann que se van a utilizar en las diversas zonas de la mina Rosaura.Debido a que la presente frmula es solo aplicable a zonas expansivas, entonces solo se evaluar en la zona C.

Para cubrir la convergencia, se deber utiliza un perfil Toussaint-Heinzmann de 34 Kg/m.2. 2.3.1.

III. HIPTESIS Y VARIABLES

3.1. FORMULACIN DE HIPTESIS

a) Hiptesis general

La utilizacin de las cimbras aumenta la seguridad y mejorara las condiciones en las distintas labores de la Unidad Minera Rosaura.

b) Hiptesis especficos

Mediante este mtodo conoceremos el comportamiento de la deformacin durante la convergencia de las cimbras en la mina Rosaura. Por medio de la medicin de convergencias, la evaluacin y anlisis de comportamiento de las cimbras, se establecer el tiempo de vida de la cimbras, segn la condicin geomecnica de la zona donde fue instalada y el factor influyente que lo afecte.

3.2. DEFINICIN OPERACIONAL DE VARIABLES

Las variables a considerar son:3.2.1. Variables Independientes: Condicin geomecnica del terreno, condicin hidrolgica.

3.2.2. Variables Dependientes: Velocidad de deformacin, tiempo de vida de las cimbras y tipo de cimbra.

IV. METODOLOGA

4.1. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIN

El tipo de metodologa que se aplic para este trabajo de investigacin es de tipo descriptivo aplicativo.Bsicamente la investigacin pretende establecer conocimientos en el campo del sostenimiento (con cimbras).

4.2. MTODO Y DISEO DE INVESTIGACIN

Dada la importancia del sostenimiento en la mina Rosaura por las condiciones rocosas de mala a muy mala, se tiene especial cuidado en el diseo, eleccin de la cimbra y monitoreo de sus deformaciones.El diseo del sostenimiento nos permite determinar la carga rocosa a la cual est sometido el elemento de sostenimiento y nos permitir encontrar la cimbra que pueda soportar esta carga.La eleccin del tipo de cimbra a usar depender del criterio del ingeniero a cargo quien tendr en consideracin el tiempo de vida requerido para la excavacin y el costo del sostenimiento, de tal manera que garantice condiciones operativas y de seguridad adecuadas durante el tiempo requerido.El monitoreo de las deformaciones de las cimbras nos permitir: conocer su comportamiento tpico bajo la condicin geomecnica en la que se encuentre, estimar el tiempo de vida aproximado de las cimbras y medir la efectividad de las medidas de control de las deformaciones.El monitoreo de las deformaciones es la base de la presente tesis, ya que para poder evaluarlas, primero debemos conocer las fortalezas y debilidades iniciales.

NoNoSiSiSe determina el origen del problema y se evala alternativas de controlInterpretacin de resultadosFin de la vida til de la cimbraSi la labor es criticaMETODOLOGA DE LA INVESTIGACINRegistro, enumeracin y descripcin de las cimbras instaladas.Definir criterios y secuencias de controlMedicin peridica de la convergencia de las cimbras (toma de data del campo)Registro y procesamiento de data de campo. Actualizacin en las cimbras registradas.Se clasifica registros segn condicin geomecnica-condicin hidrolgica del lugar de instalacin, tipo de cimbra, accesorio o medida de control que se pudo tomar.Cuadro de recomendaciones indicando prioridades.Anlisis y procesamiento de la informacin de los registros.AComportamiento y tiempo de vida de las cimbras de acuerdo al lugar donde fue instalado. cuantificacin de efectividad de las medidas de control tomadas.B

ACruce de informacin hidrolgica, mapeos, geomecnicos y medicin de convergenciaDatos geomecnicosBDiseo y/o rediseo del sostenimiento, recomendaciones de reforzamiento.PlaneamientoMinaSeguridad

Fig.21: Diagrama de flujo de la metodologa de investigacin

Monitoreo de convergencia de las cimbrasAl realizar una excavacin subterrnea se rompe el equilibrio de fuerzas dentro del macizo rocoso, apareciendo una serie de tensiones radiales en el permetro de la superficie excavada. Dichas tensiones tienden a cerrar el hueco abierto, esta tendencia se llama CONVERGENCIA.Tanto las cimbras rgidas como deslizante llegado a su lmite de deformacin elstica, muestran deformaciones laterales y/o verticales. El control y seguimiento de estas deformaciones en Rosaura se llama Monitoreo de Convergencias.En la mina Rosaura la principal causa del deterioro de las cimbras son las presiones laterales por lo que monitoreo de convergencias consiste en la toma de medidas de la dimensin lateral AC (ancho de las cimbras), eventualmente se realizaran los controles de las dimensiones AB y BC (fig.7.2), el cual nos ofrece resultados a corto y a mediano plazo.

Fig.22: Esquema ilustrativo de la medicin de convergencia

4.3. POBLACIN Y MUESTRA

La poblacin viene hacer todas las reas de la unidad minera Rosaura. Las muestras se tomaron en el NV 3950 BP SE.

4.4. TCNICAS DE INVESTIGACIN

a. Recoleccin de informacin

El procedimiento desarrollado en la mina Rosaura para controlar la deformacin de las cimbras, toma en cuenta la ltima medicin del ancho de la cimbra y la velocidad de deformacin lateral (VDL), si el ancho crtico se alcanzar despus del fin anticipado de las operaciones, nada se har. Si no es as, se ejecutar un procedimiento de estabilizacin. Actualmente se toma como medidas del control de las deformaciones laterales el uso de invert cuando la cimbra se ha deformado los primeros 20 cm y se intermediar la cimbra cuando esta llegue a los 2.70 m de ancho, si la cimbra llega a los 2.5 m de ancho esta debe ser reemplazada.

Resultados a Mediano plazo:Tanto las mediciones realizadas y las VDL calculadas son registrados cronolgicamente hasta fin de los das de la cimbras lo que nos permitir entender el comportamiento de las cimbras y el efecto de las medidas de control tomadas, en funcin de sus factores influyentes.InstrumentacinLos equipos utilizados para el monitoreo de la convergencia de las cimbras son: TAPE EXTENSOMETER THE GEOKON/EALEY MODEL 1610. Precisin = +/-0.01mm. Este equipo nos permitir realizar un monitoreo minucioso en las tres dimensiones (AC, AB, BC) de la cimbra.

EL DISTANCEMETER LSER/LEICA DISTO A5 Precisin de +/- 2mm y con rango de medicin de 0.05-200 metros. Este equipo nos permitir un control con mayor rapidez y con un grado aceptable de precisin. Se usa solo para el control de la dimensin AC.Fig.23: Equipos usados para el control de la convergencia

b. Procesamiento y anlisis de datos

Se define criterios de clasificacin y agrupacin de registro de cada cimbra

Zonificacin Hidrolgica:-Seca-Hmeda-Goteo-Flujo ligero-Flujo erosivo

Se clasifican y agrupan las cimbras con similares caractersticas, considerando: Zona de instalacin Espaciamiento Tipo de cimbra Con o sin invert

1C/SI/1/6H2O1234C/SI/1/6H2OC/SI/0.5/6H2OC/CI/1/6H2OC/CI/0.5/6H2OC/SI/1/THN-29C/SI/0.5/ THN-29C/CI/1/ THN-29C/CI/0.5/ THN-29

Calidad rocosa de la zona de instalacin

2SI: Sin invert

CI: Con invert

3Espaciamientos en metros

4Tipo y calidad de cimbras

CUADRO DE RESULTADOSSe determina la VDL (velocidad de deformacin lateral) promedio de cada grupo clasificado de cimbras y se compara entre s.

Fig.24: Diagrama de flujo de procesamiento de datos

V. ADMINISTRACIN DEL PROYECTO

5.1. CRONOGRAMAEl cronograma realizado para el desarrollo del trabajo de investigacin se muestra en el siguiente cuadro:

ACTIVIDADREALIZADADESCRIPCINMES(DICIEMBRE-ENERO)META

S1S2S3S4

Recoleccin de dataSe recolect la informacin de pginas web, libros y revistas publicadas en la red.4 das

Anlisis de la data recolectadaSe tuvo que ver si la informacin recolectada era verdica, confiable y necesaria para la investigacin.5 das

Seleccin de la informacin a utilizarSe seleccion todo lo necesario de acuerdo al tipo de tema a ser tocado en la investigacin. 2 semanas

Realizacin de la plantilla de trabajoSe tuvo que hacer la estructura y el ordenamiento de los temas jerrquicamente de acuerdo a su importancia.

Insertacin del contenidoUna vez ya tenido la estructura del trabajo, insertamos la informacin analizada y seleccionada.3 das

Realizacin del trabajo finalEn esta etapa damos una revisin completa en todo el trabajo de investigacin as esta, est lista para su presentacin.2 das

5.2. PRESUPUESTOEl costo estimado para la realizacin del presente trabajo de investigacin fue de s/. 25.00.

NDESCRIPCINUNIDAD DEMEDIDACANTIDADCOSTO UNITARIO (S/.)TOTALS/.

1Horas de internetHORAS515

2ImpresinUNIDAD500.315

3AnilladoUNIDAD12.52.5

4CDsUNIDAD12.52.5

COSTO TOTAL DE LA INVESTIGACIN REALIZADA25

VI. BIBLIOGRAFA

1) http://www.academia.edu/7406955/Geomec%C3%A1nica_Mina_Rosaura2) HOEK & BROWN : ESCAVACIONES SUBTERRANEAS EN ROCA Ed. McGraw-Hill, 2 Edicin, Mxico, 19863) BIENIAWSKI Z.T. ENGINEERING ROCK MASS CLASIFICATION Interscience Publication, 1989.4) HOEK, KAISER & BAWDEN: SUPPORT OF UNDERGROUND EXCAVATIONS IN HARD ROCK Ed. Balkema, 1995.5) DAVID CRDOVA ROJAS, ANLISIS DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES, UNI ( 1995 )6) D.F. COATES, FUNDAMENTOS DE MECNICA DE ROCAS, CANAD( 1973 ) 7) MILLN, A. (1998): Evaluacin y factibilidad de proyectos mineros.8) UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO PUNO (1999): Explotacin subterrnea.