Introducción

Nuestra sociedad actual necesita un amplio suministro de metales, minerales, y combustibles para subsistir. Una gran parte de las materias primas para estos productos tiene su origen en yacimientos muy por debajo de la superficie de la tierra, así nace la llamada minería subterránea, la cual nos entrega los medios para extraer tales recursos.

Históricamente, la explotación subterránea de estos recursos ha sido considerada como una de las actividades más peligrosas que realiza el hombre. Accidentes, con centenares de muertos, no hacen sino avalar tal afirmación, por eso es habitual ver en la prensa tragedias que enlutan a la minería mundial.

Los factores de riesgo están siempre presentes en las faenas subterráneas. Estos se pueden deber a las características de la roca, y por supuesto, al error humano, es decir, fallas de diseño, o a fallas en la ejecución de trabajos por parte de los propios mineros.

Desde tiempos remotos los hombres han excavado la tierra en busca de minerales y si bien, originalmente las labores fueron simplemente una extensión de pequeños laboreos superficiales, a medida que las necesidades de materias primas iban creciendo y los yacimientosprofundizándose, se fueron desarrollando nuevas maneras de exploración y por consiguiente mejores y más eficientes maneras de mantener en pie aquellas incursiones bajo la superficie.

La necesidad por mejorar la eficiencia en el avance de túneles y optimizar el proceso mecanizado de las operaciones de instalación de los sistemas de fortificación, son aspectos claves que están marcando la pauta en la industria minera. De ahí que la tendencia en el mediano plazo hacia la minería subterránea y a la mayor profundidad en la explotación de yacimientos (especialmente de cobre en Chile), se sustente en el concepto de “desarrollo rápido” que considera lineamientos mundiales para mejorar la eficiencia en la preparación y avance de túneles mineros.

Actualmente y, en particular en nuestro país, existe una variada gama de equipos para fortificación minera provenientes en muchos casos de las empresas contratistas internacionales. También existen desarrollos locales, sin embargo, lo importante es que hoy las innovaciones apuntan a equipos integrados, versátiles en su funcionamiento, capaces de dosificar aditivos e inteligentes en la operación, lo que se traduce en rendimiento, economía y seguridad.

La minería exige una planificación cuidadosa y extensiva de tales excavaciones, con el objeto de que la misma funcione adecuadamente. En el desarrollo de este informe, nos centraremos principalmente en el estudio de la fortificación de galerías mediante pernos de anclaje y mallas.

Desarrollo

La fortificación en labores mineras tiene como objetivos básicos: evitar derrumbes, proteger a los trabajadores y equipos, herramientas y materiales, y evitar deformaciones en las labores subterráneas.

Paralelamente a las actividades mencionadas anteriormente, los responsables de la fortificación tienen que realizar las siguientes actividades: preparar plataformas de trabajo, construir buzones y construir bodegas.

La fortificación se realiza en todas las labores mineras, ya sea como galerías, chimeneas, preparación y explotación de rajos, cuadros o lugares de acopio de mineral o materiales. Junto con esto sabemos que en la minería nacional se presentan una amplia gama de tipos de fortificación, dentro de las cuales destacamos: Con pernos de anclaje y malla olímpica, con madera, con arcos metálicos, con hormigón armado, con mampostería de piedra y con schotcrete. Habiendo mencionado ya, la existencia de esta gran variedad de fortificaciones y con la finalidad de optimizar la comprensión de este informe, reiteramos que el tema a tratar es la fortificación de galerías con el uso de pernos de anclaje y mallas.

Ahora detallaremos los distintos tipos de pernos empleados para esta labor, con sus respectivos aspectos técnicos, instalación, aplicaciones, ventas, desventajas y costos estimados. Cabe destacar que debido a la gran variedad de productos que existe en el mercado, es difícil conocer el rango de precios exacto dentro de los cuales fluctúan los materiales que describiremos a continuación, sin embargo será anunciado que el costo de alguno de ellos suela ser particularmente inferior o superior a la competencia.

Fortificación con pernos de anclaje (Entibación suspendida)

Actualmente se usan diferentes tipos de pernos de anclaje. Muchos de ellos tienen muy poca diferencia entre si, y su diseño no es más que variaciones del mismo concepto. Sin embargo, es posible clasificarlos de acuerdo al sistema de anclaje o sujeción. Sólo los más ampliamente difundidos se considerarán en la siguiente clasificación:

Pernos anclados mecánicamente Pernos anclados con resina o cemento Cables de acero anclados con resina Pernos anclados por fricción

Pernos anclados mecánicamente

El perno de anclaje con chaveta de expansión es el más común de este tipo de anclaje mecánico. Al introducir el perno en la cuña de la chaveta ésta se expande y queda sujeta en las paredes de la roca dentro del taladro. Este sistema está ampliamente difundido tanto en las labores mineras como en la ingeniería civil. No es recomendable usar en rocas muy duras, pues la chaveta puede no penetrar adecuadamente en las paredes del taladro y con el tiempo resbalar. (Fig. 1)

Partes de un perno de anclaje mecánico

Chaveta de expansiónPerno de anclajePlancha metálica (4’ x 4’ y ¼” de espesor)Tuerca del perno

Equipo para instalación del perno de anclaje mecánico

Máquina perforadora stoperMáquina aseguradoraCombo 8lbEspadillaEscaleraLave Inglesa

Datos técnicos

Calidad del acero: 700N/mm²Diámetro del perno: 16 mmPunto de deformación 140 kNCarga de rotura: 180 kN Carga de rotura axial: 14% Peso del perno sin plancha: 2 kg/m Largo del perno: El largo que se requieraDiámetro taladro: 35-38 mm.

Pernos anclados con resina o cemento

Relativamente de bajo costo, el perno de anclaje trabaja de manera inmediata. Al girar el perno, se aplica presión lateral en la cabeza del perno y de esta manera se acumula tensión en el mismo. Con un relleno posterior de cemento el perno puede servir como fortificación permanente. En rocas duras el perno puede soportar cargas altas, y es considerado un sistema versátil para fortificación en rocas duras.

Sin embargo, su uso está limitado a rocas moderadamente duras y duras, y además, es difícil de instalar. Debe ser monitoreado después de su instalación, ya que pierde capacidad debido a voladuras cercanas o cuando la roca se fractura alrededor de la zona de expansión

1) Perno de ranura y cuña2) Anclaje de expansión usual3a y 3b) Anclajes de expansión compuestos

Fig.1 Pernos de anclaje

Los pernos de anclaje con resina o cemento han sido usados los últimos 40 años en minas y construcciones civiles. El tipo más frecuentemente usado es el perno, barra de hierro o acero tratado. Se utiliza cemento o resina como adherente (Fig. 2).

La resina resulta conveniente para ser usada en pernos sometidos a altas tensiones desde momentos tempranos, sin embargo cabe destacar que esto no descarta su uso en pernos sin tensión previa. En cualquiera de sus variedades, se recomienda tanto para soporte temporal o permanente, bajo variadas condiciones de la roca. El perno de acero tratado se utiliza predominantemente en aplicaciones de ingeniería civil para instalaciones permanentes.

Hace pocos años atrás se anticipó que la resina podría, en general, reemplazar el uso del cemento como agente adherente, sin embargo, por una serie de razones, de las cuales destacamos principalmente el costo, esto no ha ocurrido.

Partes de pernos anclados con resina

Barra de fierro o acero tratadoResina o cementoPlancha metálica (4’ x 4’, y ¼” de espesor)Tuerca del perno

Equipo para la instalación de pernos de anclaje con resina

Máquina perforadora con barrenosMáquina aseguradoraCombo de 8lb EspadillaEscaleraLlave inglesa

Datos técnicos

Calidad del acero: 570N/mm²Diámetro del perno: 20 mm Límite elástico 120 kN Carga de rotura: 180 kN Carga de rotura axial: 15% Peso del perno sin plancha: 2,6 kg/m Largo del perno: El largo que se requieraDiámetro taladro: 35 ± 5 mm.

Fig.2 Pernos anclados con resina o cemento

Presenta una rápida acción después de haber sido instalado. Si se usa resina de rápido fraguado como adherente, el perno puede ser permanentemente pensionado, sin embargo en las instalaciones permanentes el perno deberá soportar altos niveles de corrosión. Existe una dificultad con los cartuchos de resina en ambientes subterráneos que pueden afectar su uso, en determinados casos su manipulación representa un riesgo.

Cables de acero anclados con resina

Este sistema ha sido utilizado en refuerzos de estructuras rocosas de obras civiles durante los últimos 20 ó 30 años. Este sistema fue introducido en la industria minera hace unos 15 a 20 años, teniendo un notable desarrollo en sistemas sin tensión previa (Fig. 3).

Hay varios aspectos en el uso del cable flexible respecto de la barra de acero o acero tratado que lo hacen particular. Por ejemplo, la variación del largo del barreno no le afecta, por cuanto el cable puede ser instalado en cualquier longitud o en galerías estrechas, tiene una alta capacidad de soporte de carga, con un costo más reducido y por último se presta notablemente para la mecanización. Su uso como elemento de anclaje está creciendo rápidamente, y son utilizados en sistemas permanentes de fortificación.

Partes del perno anclado con resina

Cable de acero del tipo 15,2 mm x 7 toronesResina o cemento

Equipo para la instalación de pernoanclado con resina

Máquina perforadora stoper con barrenosComboEspadillaEscalera

Datos técnicos

Calidad del acero: 1770N/mm²Diámetro del cable: 28 mm Límite elástico: 500 kN Carga de rotura: 500 kNCarga de rotura axial: 3 % Peso del perno sin plancha: 3,1 kg/m Largo del perno: El largo que se requieraDiámetro taladro: 35 mm y más Fig.3 Fortificación con cable y resina

Pernos anclados por fricción

Estos pernos representan el más reciente desarrollo en la técnica del anclado, lo que en parte explica su alto costo. Existen dos tipos: Split Set (Fig.4) y Swellex (Fig.5), los dos serán revisados a continuación.

Para ambos sistemas, la resistencia a la fricción para el deslizamiento entre la roca y el acero (sumado a la acción mecánica de bloqueo), es generada por la fuerza axial entre la superficie del taladro y el perno. En instalaciones transitorias la presencia de humedad no será inconveniente, pero debe descartarse para uso permanente bajo estas condiciones.

Aunque los dos sistemas están descritos bajo un mismo denominador, estríctamente hablando, sólo el Split Set es realmente de fricción. En caso del Swellex, este combina la fuerza de fricción con el mecanismo de expansión del perno en el taladro, que habitualmente tiene paredes irregulares. Esta situación genera una acción de bloqueado que permite obtener alta resistencia a la tracción.

Ambos pernos son habitualmente usados en minería, y cabe destacar que el Swellex está ganando campo en trabajos de túneles.

Partes de pernos anclados por fricción

Tubo de acero plegadoPlancha de sujeción

Equipos para la instalación de pernosanclados por fricción

Máquina perforadora y barrenosBomba neumática de agua a 300 barcon brazo de instalación de pernos.Combo de 8 lbsEspadillaEscalera

Datos técnicos

Diámetro del tubo: 26 mm Límite elástico: 130 kN Carga de rotura: 130 kNCarga de rotura axial: 10% Peso del perno sin plancha: 2 kg/m Largo del perno: El largo que se requieraDiámetro taladro: 35 ± 3mm.

Fig.4 Perno de anclaje tipo Split Set

Fig.5 Perno de anclaje tipo Swellex

Los pernos de anclaje sirven para fortificar el techo y los lados de las labores mineras, donde existe peligro de caída de rocas. También su uso es para asegurar fracturas grandes u otras áreas de roca insegura que no pudieron ser eliminadas mediante el scaling (proceso de remover roca suelta). Se usan también en otros trabajos mineros como ser soporte de cañerías para aire y agua, para soportar roldanas para scrapers y otros. Pueden utilizarse también en la sujeción temporal del techo de un rajo, o los lados del mismo (Fig. 6)

Determinación del número, ubicación e inclinación del perno de anclaje

El número de pernos de anclaje depende del tamaño de la roca a asegurarse y del grado de peligro de caída de la misma. Como guía para áreas normales que necesiten pernos de anclaje, podemos decir que pueden estar espaciados cada 1.2 m de distancia.

Los pernos de anclaje deben instalarse en una posición tal que le permita pasar por la fractura o fracturas y la roca madre, permitiendo de esta manera que la chaveta quede fija en la roca firme. Los pernos de anclaje son de diferentes diámetros (3/4”, ½”, 1”) y vienen en largos de 4’, 6’ y 8’. La plancha del perno de anclaje, en lo posible, debe ser perpendicular al perno de anclaje y esto, ya debe ser considerado el momento que se elija el lugar donde se colocará el perno.

La inclinación de los pernos de anclaje es muy importante para su efectividad. En lo posible el perno debe ser colocado perpendicular a la fractura o fracturas y a la cara de la roca (Fig. 7).

Fortificación lateral Fortificación lateral

Fortificación del techoFig.6 Fortificación con anclajes

Instalación de los pernos de anclaje

Una vez perforado el taladro para instalar el perno de anclaje, para su instalación se procede de la siguiente manera:

1. Colocar la plancha en la base del perno. (Fig. 8)2. Enroscar, un poco y con la mano, la chaveta de expansión en el otro extremo del perno. (Fig. 9)3. Insertar completamente el perno en el taladro, con la chaveta de expansión adelante, hasta el

fondo del taladro. (Fig.10)4. Enroscar el perno de anclaje, girando en sentido del reloj la cabeza del perno. Esto enrosca el

perno dentro de la chaveta de expansión y la expande, asegurándola contra la roca.5. Se puede enroscar el perno inicialmente manualmente con ayuda de una llave inglesa, pero al

final se tiene que asegurar con la máquina aseguradora.6. Conectar la máquina aseguradora con la manguera para aire comprimido.7. Colocar la palanca en dirección de las agujas del reloj (a la derecha)8. Colocar la boca de la máquina sobre la cabeza del perno. (Fig. 11)9. Apretar el botón de arranque y el perno será asegurado.10. Verificar si el perno está seguro.

Fig.7 Posicionamiento de los pernos de anclaje

Fig. 8 Plancha en la base del perno Fig.9 Enroscado de chaveta

de expansión

Fortificación con mallas

Es importante definir que es una malla, dar a conocer los tipos existentes y las características que las hacen un buen elemento dentro de la fortificación de minas. Malla es la estructura formada por el entrecruzamiento de los filamentos que la componen, éstas pueden ser tejidas o soldadas. Dentro de la minería tiene dos usos: fortificación y harneros. Las dimensiones de diámetro del alambre ocupado varían, según sea la especificación de la tarea a realizar.

Las mallas se utilizan para la fortificación cuando existen problemas de caída de rocas, planchones, etc., es decir, todo lo que pone en peligro la seguridad de los trabajadores y de la maquinaria con que se esté trabajando. Pueden ser descritas según dos conceptos claves:

a) Luz: Se define como el espaciamiento que hay entre un filamento y el siguiente.b) Diámetro del alambre: Es el grosor del alambre, los diámetros están tabulados por medida en

milímetros.

Ejemplo: Malla 100 - 06; donde 100 indica luz y 06 el diámetro del alambre.

Podemos destacar dos tipos de mallas utilizadas en procesos mineros:

Mallas tejidas (bizcocho)

Fig.10 Perno de anclaje Fig.11 Equipo para asegurar pernos de anclaje

Fig.12 Malla bizcocho

La malla tejida es flexible y fuerte, se amolda al terreno con facilidad y 1m² puede soportar de 3 a 3,5 toneladas en peso de roca quebrada. Generalmente, se utiliza en techos de galerías para prevenir accidentes al personal o maquinarias, por caída de trozos de roca.

Mallas soldadas (malla negra)

Fig.13 Malla soldada

Instalación de la malla

Para la operación de instalación de la malla, se utiliza un equipo de levante, el cual consta de una jaula con techo reforzado. El uso del equipo de levante con jaula con techo es obligatorio, ya que en ningún momento los trabajadores realizarán trabajos en zonas inestables, para entrar a estos sectores se debe hacer dentro de la jaula ya mencionada. El personal que realiza la instalación se denomina cuadrilla, y está constituida por grupos de 3 o 4 mineros, dependiendo de la sección de la galería.

El proceso de fortificación comienza con la marcación de los pernos con el equipo de levante, marcándose en el contorno de la galería cuantas paradas de pernos sean necesarias, además de los pernos de sujeción transitoria del tipo Split-set, según diseño. Una vez realizado lo anterior, se proceden a ejecutar las perforaciones con un jumbo electrohidráulico.

La secuencia de perforación se realizará avanzando hacia la frente por paradas completas para pernos. En cada corrida se comenzará perforando donde irán los pernos centrales del techo y luego hacia ambas cajas del túnel. Terminada la primera parada de pernos, se continúa con la segunda y así sucesivamente hasta llegar a la frente. Ya realizadas las perforaciones, se procede al próximo paso: lechado (mezcla de cemento, agua y aditivos) de pernos de fortificación.

La primera medida para comenzar con la etapa de lechado de pernos, será acuñar cuantas veces sea necesario la frente de trabajo; al terminar esta operación, se limpian los tiros y se distribuir la lechada de cemento que contiene acelerador de fraguado para los pernos. El tiempo de fragüe, es el tiempo durante el cual los pernos de fortificación adquieren una resistencia a la tracción de aproximadamente 1000kg, soportando así el peso de la malla.

Colocados los pernos roscas y esperado el tiempo necesario de fraguado de la lechada, se instala la malla de fortificación. Como primera medida, se medirá la dimensión del paño de la malla, de tal modo que alcance desde el segundo, hasta el décimo perno (Fig.14), que se encuentran instalados de manera transversal en la galería. El paño de malla se pondrá extendido sobre el techo de la jaula, con el sobredimensionado colgando por los lados (Fig.15).

La malla soldada consiste en un conjunto de alambres de acero soldados en sus intersecciones de forma rectangular o cuadrada. Se utiliza para reforzar el shotcrete, ya que es más rígida que la malla tejida. Se asegura a los pernos con planchas especiales (planchuelas), las que están en contacto con el terreno.

Una vez situados los mineros en la jaula, ascienden hasta la posición exacta, y desde el interior de ella se afianzará la malla a los pernos roscas centrales del túnel, con planchuelas apretadas contra el cerro por tuercas de hilo helicoidal.

Fig.14 Instalación de malla entre pernos 2 y 10

Fig.15 Extensión paño de malla sobre techo de jaula e instalación

Conclusión

Podemos confirmar que para llevar a cabo las labores que se desarrollan en una mina, cualquiera sea su ubicación, el factor seguir debe ser una necesidad de primer orden, y es por ello que la fortificación de las galerías no debe tomarse a la ligera. Este proceso debe estar en constante revisión, con la finalidad de verificar el estado de cada uno de los componentes de la estructura, porque tal como vimos en el informe, los materiales están sometidos a presiones constantes, que sin la debida cautela ponen en riesgo la seguridad de los trabajadores de la planta, y pudieran llegar a causar accidentes graves.

Para hacer efectiva la fortificación, hemos visto que se hace necesario el uso de dos importantes elementos: los pernos y las mallas, los primeros entregan sustento y cohesión a la roca que se encuentra sobre la galería a modo de asegurar que esta no se fracture ni colapse; mientras que las mallas se usan como un refuerzo a la labor que desempeña el perno, en caso de que se produzca alguna fractura las mallas sujetarán los fragmentos de rocas, evitando su caída sobre personal de la mina.

Con el descubrimiento de yacimientos, y el paralelo desarrollo de proyectos mineros en estos días, sumado a la gran cantidad de nuevos profesionales que se suman a la industria minería es de esperar que se logren avances tecnológicos respecto a las técnicas de fortificación en la minería subterránea, avances que logren aumentar los estándares de seguridad dentro de la planta y por consiguiente los de sus mismos trabajadores, esto siempre apuntando a la necesidad de lograr la extracción del mineral que se desea obtener, mas sin poner en peligro alguna vida humana durante el proceso.

Fortificación de galerías

con pernos de anclaje y mallas

Integrantes: Gonzalo Muñoz M. Jorge Zavalla V.Profesor: Eduardo Contreras M. Sistemas de explotaciónFecha deentrega: 30-08-2012