excavacion en minas de carbon.docx

8/11/2019 Excavacion en minas de carbon.docx

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UNI VERSIDAD NACIONAL DE CATAMARCA

FACULTAD DE TECNOLOGIA Y CIENCIAS APLI CADAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE MI NAS

EXPLOTACIN DE M INAS I

Excavacin en minas subterrneas de carbn

Con especial consideracin en la entibacin

AO: 2014


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Excavacin en minas de carbn

Explotacin de Minas I 1

ndice:

INTRODUCCIN.2

Generalidades.2

LABORES DE ACCESO.3

MECANIZACIN DEL ARRANQUE..5

ARRANQUE DEL CARBN5

FORTIFICACIN EN MINAS DE CARBN8

La madera como material de sostenimiento en las minas.8

Sostenimiento con madera en los frentes largos.9

Presin en las frentes largas.9

Diseo de los ademes de madera en las frentes largas...12

El acero como material de sostenimiento en las minas..15

Caractersticas ingenieriles del acero.15

Arcos de acero18

Diseo de arcos rgidos...18

Diseo de arcos (Moll) articulados..20

Diseo de arcos cedentes..21

Sostenimiento con acero en los frentes largos.24Postes o estemples de friccin..25

Postes hidrulicos...27

Cabezales o montantes articulados...28

Diseo de postes y cabezales.29

Ademes mecanizados o soportes energizaos...31

Componentes de los ademes mecanizados....35

Diseo de los ademes mecanizados..37

Ventajas de los ademes mecanizados.....44

Desventajas de los ademes mecanizados..44

CONCLUSIN..45

BIBLIOGRAFA.46


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Introduccin:

El objetivo de este informe es describir como fue evolucionando o mejorando en el tiempo los

mtodos de arranque, transporte y entibacin en la minera del carbn. Ms precisamente se puso

nfasis en los diferentes mtodos de entibacin en las minas de carbn. Desde sus primeros

comienzos, con la utilizacin de la madera como material de sostenimiento, hasta la actualidadcon el uso del acero y la mecanizacin de las excavaciones del carbn, es decir, mediante la

utilizacin de la entibacin marchante. Este ltimo sistema fue posible a partir de la evolucin de

los estemples hidrulicos, con postes y cabezales incorporados en una sola unidad a los

transportadores blindados para avanzar simultneamente con el corte en la lnea de frente.

La mecanizacin de las operaciones de arranque, transporte y entibacin ha logrado un gran

avance en la explotacin de las minas de carbn, esto ha permitido facilitar el trabajo humano, un

mayor rendimiento por hombre turno, una mayor recuperacin y una produccin segura o un

mejor control del techo, con el inconveniente de requerir una elevada inversin inicial, un alto

costo de mantenimiento y mano de obra calificada.

Generalidades:

El carbn es una masa sedimentaria combustible formada por la acumulacin regular y posterior

transformacin de restos vegetales en lugares caractersticos llamados cuencas. El proceso fsico -

qumico de transformacin de los vegetales en carbn comprende los siguientes pasos:

desintegracin, descomposicin, turbificacion, y putrefaccin.

Los yacimientos de carbn, segn como se hayan originado pueden clasificarse de la siguiente

manera:

Autctonos: son yacimientos que se han formado en el mismo lugar de existencia de la materia

vegetal que le dio origen. Es la acumulacin llamada In situ.Alloctonos: son los yacimientos formados a partir de vegetales que se han acumulado en un lugar

distinto al de su origen, es decir que han sufrido un transporte (por el viento o por el agua), desde

el lugar de crecimiento.

Una caracterstica prominente de los yacimientos de carbn es su gran extensin areal y la

regularidad del espesor y de los caracteres de ocurrencia en reas extensas.

Un mtodo de explotacin debe satisfacer a ciertas exigencias bsicas como: seguridad, economa

y menor prdida posible de sustancia til. Para esto a la hora de seleccionar un mtodo de

explotacin se debe tener en cuenta los siguientes factores del yacimiento:

-

Forma: Los carbones se encuentran en mantos generalmente regulares, pero que puedenestar fallados o plegados, etc.

- Potencia: Segn su potencia los mantos de carbn se dividen en delgados hasta 1,3 m; de

potencia media entre 1,3 y 3,5 m; y potentes, mayores de 3,5 m.

- Buzamiento: Los mantos pueden ser poco inclinados hasta 25; inclinados 25 - 45; y de

buzamiento fuerte, mayor de 45.


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-

Estructura: Los mantos pueden ser simples o compuestos, con intercalaciones de estril

que interfieren su arranque y aumenta el contenido de cenizas.

- Propiedades mecnicas del carbn: La resistencia del carbn tiene gran importancia desde

el punto de vista de sus posibilidades de arranque por medios mecnicos.

-

El grado de resistencia y de dureza de las rocas vecinas as como la propiedad de

derrumbarse en grandes bloques o en pequeos, o asentarse sin rotura, tiene granimportancia sobre la eleccin del mtodo de explotacin.

Cuando la pendiente es reducida tienen mayor importancia las rocas del techo y, muchas

veces, debe tenerse en cuenta la particularidad de hincharse del piso (arcillas

bentonticas).

-

Profundidad: Con el aumento de la profundidad a que se encuentra el manto, aumentan

las presiones de las rocas del techo, crece la presin sobre la fortificacin y generalmente

aumenta el contenido de gas. Tambin aumenta la temperatura de las rocas.

-

Abundancia de gris y de monxido de carbono: La abundancia de estos gases tiene gran

importancia en la eleccin del mtodo de explotacin. Los mantos sujetos a

desprendimientos instantneos deben ventilarse por corrientes independientes o porsistemas especiales de captacin del gas.

-

Abundancia de agua: Las rocas embebidas de agua se hacen menos estables y adquieren

tendencia a hincharse. La presencia de agua en los lugares de trabajo disminuye el

rendimiento de los obreros y aumenta la posibilidad de accidentes. Muchas veces es

necesario desagotar el yacimiento antes de la explotacin y durante ella.

-

Incendios: El numero de estos aumenta con la potencia de los mantos y si el carbn esta

fracturado tambin se incrementa la posibilidad de autoinflamacin.

-

Mecanizacin: La mecanizacin tiene una gran influencia sobre el mtodo de explotacin.

Las cortadoras, cepillos, rozadoras, transportadores de rastras y la fortificacin hidrulica

han provocado cambios enormes en los mtodos de arranque utilizados para las mismas

condiciones naturales con anterioridad.

Labores de acceso:

Los esquemas de planeamiento de labores de acceso dependen de las condiciones geolgicas

especficas de cada yacimiento. La forma del yacimiento, as como su ubicacin en el espacio tiene

mucha importancia en la eleccin y ubicacin de la labor de acceso. Mientras los yacimientos

metalferos pueden tener formas variadas- vetiformes, lenticulares, matos, masas irregulares, etc.,

los yacimientos de carbn son siempre manteados, y su potencia, rumbo y buzamiento no sufren

grandes variaciones a lo largo de extensas distancias, a no ser que hayan estado afectados por

movimientos tectnicos o plutonismo posterior a su formacin.

El acceso a los yacimientos de carbn, al igual que a los metalferos puede hacerse por socavn,

por pique inclinado y por pique vertical. No se conocen aplicaciones en estos yacimientos del

acceso en rampa en espiral.

El acceso por socavn se utiliza cuando el yacimiento aflora en una zona de topografa irregular

(relieve montaoso) y segn sea la disposicin de los mantos respecto del relieve, el socavn se


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abre perpendicularmente, en diagonal o en direccin con el manto. En este caso el socavn puede

ser en el manto o fuera de l, ya sea en el piso o fuera de l, dependiendo esto de las

caractersticas fsico mecnicas de las rocas encajantes, del mtodo de explotacin, de la

conveniencia o no de dejar pilares, etc.

En los yacimientos metalferos, la mena por lo general es ms dura y de mayor peso especfico que

el carbn; adems los hastiales son de buena calidad. Por lo tanto se tienen condiciones msfavorables para la apertura de las labores de acceso.

En cualquier caso, luego de explotadas las reservas colgadas, si el buzamiento es chico, los

mantos se preparan para su explotacin por chiflones, y si es grande, debern hacerse pozos

ciegos y transversales. Fig. 1

El acceso por socavones es simple y econmico y garantiza una explotacin barata.

El acceso por piques inclinados, planos inclinados, rampas, chiflones, se usa cuando el yacimiento

aflora en terreno llano y el buzamiento es reducido, menor de 18, para extraccin con cinta

transportadora. Tambin se utiliza cuando el manto es horizontal y tiene un cierto escape, aunque

en este caso el acceso tambin puede ser por pique vertical. Fig. 2.

La eleccin de la labor de acceso, como en el caso de los minerales metalferos, depende

puramente de consideraciones econmicas.

El acceso por piques verticales se utiliza en los yacimientos que se encuentran en terrenos de

topografa regular (relieve llano) y cuando el buzamiento es superior a 25 (limite de aplicabilidad

del transporte con cintas). El transporte en carriles es de poca capacidad.Dada la poca pendiente, que en general, tienen los yacimientos de carbn, cuando se trata de

acceso mediante pique vertical, este se ubica en el centro del yacimiento, segn el rumbo y el

buzamiento, dejando colgadas buena parte de las reservas. El acceso se complementa con

transversales que son correspondientes con los niveles que se explotan sucesivamente en forma

descendente. Fig. 3.

Figura 1


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Los yacimientos de carbn, por razones de ventilacin, se abren por dos o ms piques o

socavones: uno principal de extraccin por skips o trenes, y de entrada de aire (aire fresco), y otro

auxiliar de retorno de ventilacin (aire viciado), provisto de ventiladores y de jaulas para elmovimiento del personal. Las grandes minas de carbn, con considerables emanaciones de gris,

requieren para su ventilacin grandes cantidades de aire, del orden de 300 400 m3/s, por lo que

se abren por tres o ms pozos.

El pozo principal de extraccin debe ubicarse en el centro del campo minero, para tener, como se

dijo, una extraccin equilibrada.

Mecanizacin del arranque:

Las diferentes operaciones de explotacin en los yacimientos de carbn, comnmente se realizan

separndolas en tareas especficas, como puede ser: 1) Arranque del carbn; 2) Fortificacin; 3)

Desplazamiento del transportador blindado; 4) Control del techo; etc. El transporte del carbn se

hace simultneamente con el arranque.

La repeticin ordenada en el tiempo de los grupos de tareas mencionadas constituye un ciclo, y el

trmino de duracin de un ciclo puede ser de un turno, dos, etc., segn sea el equipamiento

disponible y el planograma adoptado.

Hoy en da, con los quipos modernos de fortificacin marchante que incorpora a ella el

transportador blindado y la maquina cortadora o de arranque, la realizacin de las tareas

mencionadas se simplifica, pudiendo efectuarse varias tareas en forma simultnea. Generalmente,

en un da con tres turnos de 8 horas cada uno, la planificacin que se adopta es la de destinar dos

turnos de arranque y uno a la conservacin del frente.

Arranque del carbn:

En los yacimientos poco inclinados y de poca y mediana potencia como es el caso de aplicacin

de Frentes Largos - , el arranque del carbn puede efectuarse por los siguientes mtodos:

Figura 3Figura 2


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-

Martillos picadores

-

Explosivos

- Rozadoras

- Cepillos

Martillos picadores:

Un avance importante en la explotacin de las minas de carbn se ha producido con la

introduccin del aire comprimido. Aqu comienza el reemplazo de los picos comunes como los

martillos picadores, cuyo uso se generalizo en la dcada del 30. Hoy en da el rendimiento con

martillos se considera bajo, adems de caro, porque requiere de un cierto adiestramiento del

picador. En la actualidad, el empleo de los martillos picadores a quedado reducido a los trabajos

de preparacin (apertura de nichos) y, en explotacin, a la complementacin del trabajo de los

cepillos y rozadoras, arrancando el carbn que queda en contacto con el techo, fuera del alcance

de las maquinas.

Es un instrumento de percusin, de movimiento alterno y cuyo til es una pica.El martillo picador (figs. 4 y 5) comprende el cilindro (a), el pistn (b), la pica (c), el portapica (d) yla empuadura (e), que contiene el rgano de distribucin de aire comprimido.

Explosivos:

Cuando se utiliza este tipo de arranque, los explosivos utilizados son los de seguridad anti gris.

Los explosivos de seguridad, en general son los que no presentan peligros de explosin en masa

por la accin de un choque o una combustin. En las minas con gris y polvo de carbn en

suspensin los explosivos deben ser de seguridad anti gris. La diferencia entre un explosivo deseguridad y uno de seguridad anti gris est en que ste evita o disminuye el peligro de explosin

del gris y del polvo.

Los ensayos tendientes a determinar el grado de influencia de distintas variables de los explosivos,

en la explosin del gris y del polvo, dieron los siguientes resultados:

1) Un explosivo de temperatura de explosin inferior a 2200C no inflama el gris. Para tener

un adecuado margen de seguridad, los reglamentos de los distintos pases establecen

Figura 4Figura 5


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temperaturas de explosin menores a la mencionada. En Francia se exige una temperatura

mxima de explosin de 1500C para los explosivos anti gris.

2) Sustancias tales como el salitre (KNO3), o las sales alcalinas impiden la reinflamacin de los

gases combustibles y aumentan la seguridad contra el gris. Estas sustancias se llaman

inhibidores.

3)

Tambin tiene influencia en la seguridad frente al gris y los polvos, la longitud de lostaladros, la cantidad de carga y el retacado.

4)

Los disparos con retardo pueden provocar la explosin de los polvos resultantes de los

retardos anteriores. Esto ha dado origen a los explosivos de seguridad reforzada, que se

caracterizan por tener una mayor proporcin de agentes inhibidores que los simplemente

anti gris.

Una forma de aplicacin de los explosivos en la explotacin del carbn es combinndolos con las

rozadoras de cadena. Estas cortan en la base un espesor de 10 a 15 cm y el carbn que queda

colgado se arranca con explosivos.

Rozadoras:

El uso cada vez ms amplio del aire comprimido en las minas de carbn permiti hacia la dcada

del 30el desarrollo de las primeras rozadoras, las que a pesar del gran adelanto que significaban,

no estaban exentas de dificultades. En primer lugar tenan el inconveniente del bajo rendimiento

de los motores de aire comprimido, y luego, por la gran cantidad de polvo que produca la

evacuacin del aire.

La perfeccin de estas maquinas ha venido con la introduccin de la energa elctrica, la de las

puntas de carburo de tungsteno con forma de plaquitas, etc.

Hay dos tipos de rozadoras, las de cadena y las de tambor o tambin conocidas como

cortadoras,pudiendo ser de uno o dos tambores.

Pueden mencionarse como inconveniente de las rozadoras el hecho de que cuando el carbn es

blando producen mucho fino, pero este inconveniente est siendo salvado ltimamente con la

aplicacin cada vez mayor que tiene este producto en las usinas trmicas.

Los fabricantes de estas maquinas, tanto en Inglaterra como en Alemania, fuertemente apoyados

por la industria minera introducen continuas mejoras en las rozadoras, aumentando

constantemente su campo de aplicacin. Actualmente, el uso de las rozadoras est muy

generalizado.

Como se dijo antes, las rozadoras de cadena se utilizan con mucha frecuencia en combinacin con

los explosivos.

El ancho de corte de las rozadoras es de alrededor de 0,60 m y la velocidad entre 4 a 5 m/seg.

Cepillos:

Han aparecido en el mercado en el ao 1942, y se utilizan, al igual que las rozadoras, incorporadas

al transportador blindado o Panzer. El cepillo, a pesar de sus ventajas cuando el carbn es blando,

n ha desplazado por completo a las rozadoras, que tienen su mejor campo de aplicacin cuando el


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carbn es firme. Por la razn mencionada sobre la cualidad del carbn es que son ms comunes

las rozadoras en Inglaterra, y los cepillos en Alemania.

El cepillo y algunas rozadoras arrancan el carbn en ambos sentidos, mientras que otras

cortadoras lo hacen solamente en uno. La velocidad de corte de los cepillos es de 0,4 m/seg y el

ancho variable entre 5 a 10 cm.

Fortificacin en minas de carbon:

Generalidades:

Para la fortificacin o sostenimiento en las minas de carbn, en un principio, y hasta hace

relativamente pocos aos, se utilizaba la madera. El uso de este elemento requera gran habilidad

por parte del entibador en el manejo del hacha, de la masa, etc. Adems, el xito de la entibacin

dependa en buena medida de su apreciacin personal. La madera es menos resistente que el

metal y tiene el inconveniente de que con ella se pasa rpidamente de la deformacin elstica a la

rotura. Adems, la madera se utiliza, por lo general, una sola vez, por ser muy difcil su

recuperacin, siendo por otra parte, cada vez ms cara. Solo se utiliza, actualmente en unos pocos

mtodos de explotacin de capas verticales.

Existe una zona muy amplia en explotaciones inclinadas y otra ms restringida en horizontales, enlas que el metal difcilmente puede reemplazar a la madera, bien a causa de su elevado peso, bienpor las dificultades de recuperacin, o bien por el hecho de que es difcil ajustarle en potenciasdemasiado variables.A partir del ao 1940 han hecho su aparicin los arcos metlicos normalizados para la fortificacinde galeras y los puntales metlicos o mampostas de friccin para el sostenimiento de los frentesde arranque.La mamposta o puntal hidrulico ha aparecido en el ao 1950, esta tiene ventajas sobre la defriccin especialmente por conseguir una presin regular y constante, aunque requiere mayorescuidados, una reparacin especializada y un costo ms elevado. Sin embargo, ms all de susventajas no llego a utilizarse de manera amplia, porque antes de que esto ocurriera, losfabricantes empezaron a disear la fortificacin hidrulica autodesplazante (marchante).

La madera como material de sostenimiento en las minas:

La madera, es el material de entibacin ms accesible y barato, dotado de alta resistenciamecnica al par de un peso reducido, elasticidad y buena maquinabilidad. Los defectos mayoresde la madera son su escaso plazo de servicio debido a la putrefaccin, y su combustibilidad.Para el entibado de mina se emplea la madera de pino, abeto, alerce y pino albar, tanto en rollos

como aserrado. El material en rollos comprende los estemples (ademes) de 0,5 a 4,5 m de largo yde 11 a 39 cm de dimetro.La razn para considerar a la madera como material de ademe es que se usa an en minas apequea escala tanto de carbn como metlicas.La madera es un material de peso ligero, fcilmente transportable que se maneja con facilidad enlos sistemas de ademe.


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Sostenimiento con madera en los frentes largos:

Uno de los mtodos de explotacin de las minas de carbn es el de Tajos Largos (frentes largas),por lo tanto, se considerara en el diseo de los ademes de madera, para las minas de carbn, elclculo de la presin del terreno sobre las frentes largas mediante las diferentes formulasexistentes.

Presin en las frentes largas:

La seccin transversal de la superficie de la frente larga con ademes de madera se muestra en lafigura 6. De acuerdo con la teora del arco de presin, la carga principal de los estratos que seencuentran arriba de la superficie de la frente larga se traslada al carbn en frente de la superficiecomo contrafuerte delantero. En la cara de la frente larga hay una descompresin, orelajamiento - en esta zona solo se deja que el ademe soporte la carga del techo inmediato(falso). Si el techo inmediato es muy dbil, se hunde con facilidad y, por expansin, ocupa elrelleno de material de desechos que soporta el techo principal. Este es el caso con la mayor partede las frentes largas que se hunden. Si el techo inmediato no se hunde se ordena una atencin

especial para hacerlo caer y que forme el relleno de material de desechos. Si esta distancia sinhundirse es grande el peso sobre el ademe de la superficie de la frente es elevado; en tales casos,se usan sistemas de relleno que ocupen completamente el espacio vaco por medio deprocedimientos neumticos o hidrulicos que permiten que el techo inmediato se deforme sinfracturarse. La presin se calcula segn las condiciones del techo inmediato.En la figura 6 la altura del techo inmediato se da por la formula siguiente:

En donde:

h = Altura del techo inmediato (falso), en metros.K = Factor de expansin del techo inmediato.m = Espesor del manto, en metros.

E = Expansin del techo inmediato.= Densidad del techo inmediato (slido), en toneladas por metro cbico.= Densidad del techo inmediato (fracturado), en toneladas por metro cbico.= Presin del techo inmediato, en toneladas por metro cuadrado.


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Formula de Siska:

Segn Siska, la presin en el ademe se determina mediante la frmula siguiente, que se presenta

en la figura 7.

En donde:

= Presin del techo sobre el ademe, en toneladas por metro cuadrado.h = Altura del techo inmediato (falso), en metros.

K = Factor de expansin del techo inmediato.m = Espesor del manto, en metros.E = Expansin del techo inmediato.= Densidad del techo inmediato (slido), en toneladas por metro cbico.= Factor de hundimiento.= Factor de relleno; hundimiento = 1.0: relleno a mano = 0.7; relleno neumtico = 0.5; rellenohidrulico = 0.12.= Factor de autoapoyo del techo inmediato.

Figura 6: Seccin transversal de una frente larga y altura del techo

inmediato que muestra el sistema de ademe.


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Vt = Volumen del techo ademado inmediato, en metros cbicos.Va = Volumen del techo inmediato en voladizo, en metros cbicos.V1 = Volumen del techo inmediato en un frente sin ademes, en metros cbicos.V2 = Volumen del techo ademado inmediato y en voladizo, en metros cbicos.l = Anchura de la frente ademada, en metros.x = Anchura de la frente sin ademes, en metros.

= Angulo de ruptura, en grados; se toma a partir de la vertical.me = Espesor relativo del manto, en metros.md = Espesor del relleno, en metros.

Formula de Terzaghi:

Determina otro mtodo para calcular la presin en la frente larga. La formula se dise para los

clculos de la presin en los tneles de poca profundidad, cuando la roca del techo es de material

flojo (suelto). La frmula que se adopt para los esfuerzos de la frente larga se muestra en la

figura 8.

Figura 7: Presiones en los ademes segn Siska.


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En donde:

= Presin en los ademes, en toneladas por metro cuadrado.m = Espesor del manto, en metros.= Densidad del techo inmediato (slido), en toneladas por metro cbico.B = Mitad de la anchura de la frente sujeta a carga, en metros.B = Mitad de la anchura real de la frente, en metros.= Angulo de friccin interna de la roca del techo, en grados.K = Coeficiente emprico, puede tomarse como k =1.

Diseo de los ademes de madera en las frentes largas:

El diseo de los sistemas de ademes de madera sigue ciertos pasos:

1. Se elaboran los esquemas del sistema y se dibujan los modelos estticos simples.

2.

Se evalan las presiones ejercidas por el terreno con diferentes formulas (Terzaghi, Siska,

etc.)

3.

Se calculan los diagramas de momentos mximos, esfuerzos cortantes mximos, y las

secciones que estarn sometidas a estos momentos y cortantes, y se determinan las

dimensiones adecuadas.

4.

Verificacin de los esfuerzos permisibles para las dimensiones calculadas y para el tipo

especifico de madera a emplear.

Si no se satisfacen las condiciones de seguridad, se deber escoger valores de las dimensiones ms

grandes, repitiendo los clculos hasta que los valores ms bajos de los esfuerzos permitan una

aplicacin segura.

Los ademes que ms frecuentemente se utilizan en las frentes largas son cabezales o travesaasque se colocan paralelamente a la frente con tres o cuatro postes que los soportan, como se indica

Figura 8: Presiones sobre las frentes largas segn estimaciones deTerzaghi.


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en las figuras 9 y 10. Se supone que los cabezales trabajan como vigas continuas con carga y queno existe hundimiento en los apoyos.El diseo debe considerar los momentos mximos y evaluar la capacidad del dimetro del cabezalpara tomar los momentos de flexin dentro del esfuerzo permisible para la madera. Despus severifican los esfuerzos cortantes y los esfuerzos en el piso (o suelo).

Formulas:

Figura 9: Diseo de los cabezales en la frente larga con tres postes.

Figura 10: Diseo de los cabezales en la frente larga con cuatro postes.


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En donde:

= Esfuerzo permisible de flexin para la madera, en toneladas por metro cuadrado.= Esfuerzo permisible de flambeo en la madera, en toneladas por metro cuadrado.= Esfuerzo en el piso, en toneladas por metro cuadrado.= Presin del techo en las frentes largas, (se puede tomar el valor ms alto para tener el diseoms seguro). Se obtiene con la formula de Terzaghi o Siska.

= Esfuerzo de compresin paralelo a las fibras de los postes, en toneladas por metro cuadradoqt = Carga uniforme sobre el cabezal, en toneladas por metro.= Distancia entre los postes del cabezal, en metros.db = Dimetro de los cabezales y de los postes, en metros.a = Distancia entre los cabezales, en metros.=Factor de flambeo.Aspectos caractersticos de los ademes de madera:

- El cabezal en los ademes de madera est sujeto al esfuerzo de flexin.- Los postes laterales de los ademes de madera estn sometidos a presiones de los lados y a

las reacciones en sus extremos. Por lo tanto, en su diseo, se debern evaluar losesfuerzos de compresin y de de flexin.

-

En la prctica se utiliza para los postes los mismos dimetros que tienen los cabezales.-

Los calces o cuas se disean de una manera similar a los cabezales. Por lo general, loscalces que se cortan longitudinalmente de los postes de 12 a 18 cm son adecuados.


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El acero como material de sostenimiento en las minas:

El acero es uno de los materiales de entibacin ms perfectos, dotado de alta resistencia mecnicay resistencia al fuego, y que soporta bien los esfuerzos de la traccin.Para la fortificacin de las labores subterrneas, se utilizan los aceros al carbono Cr. 3 y Cr. 5 enforma de distintos perfiles laminados; vigas en doble T y en U, vigas en media caa, carriles, aceroangular y redondo para armaduras, etc. Para las uniones de los elementos de entibacin se utilizanasimismo piezas de sujecin metlicas: pernos, clavos, espigones, tornillos, etc.Los defectos del metal como material de entibacin, son su corrosibilidad bajo la accin de lahumedad, gases y aguas de mina acidas, y su costo alto. La proteccin del metal contra lacorrosin en las condiciones mineras se lleva a efecto aplicando en la superficie del metal pinturasanticorrosivas, barnices, esmaltes, como asimismo mortero de cemento y arena.Las cualidades del acero como material de sostenimiento lo han llevado a desplazar a la madera enmuchas minas, especialmente en las de carbn en donde las galeras se mantienen abiertas hasta10 aos como galeras de arrastre y de retorno del aire para la ventilacin.

Caractersticas ingenieriles del acero:

Estructura qumica:

Qumicamente, el acero es una aleacin de hierro y de carbono. Existen algunos materiales comoel fsforo (0.01- 0.03%) y el azufre (0 01 - 0.06%), que se presentan como impurezas. Otrosmateriales, como manganeso, silicio, nquel, cromo y molibdeno se incorporan en porcentajesvariados para formar aleaciones especiales que renen diversaspropiedades. Para los ademesde acero en las minas, se usa un acero comn de resistencia 37 - 52 y que satisface la mayora delas especificaciones estructurales. Las aleaciones se utilizan para satisfacer condiciones especiales.

Relacin esfuerzodeformacin:

La figura 11 muestra una curva tpica de esfuerzo-deformacin. Esta es la curva comn en donde elmodulo de elasticidad de Young se toma como E = 2.1 X10 kg/cm2. La proporcin lineal continahasta el punto 0,2% de deformacin. Despus de este punto, tiene lugar un espacio de fluenciacon deformaciones constantes, y la falla sucede despus de que se han alcanzado estos lmites.

Las caractersticas que se deben considerar en los elementos estructurales de un ademe o de unafortificacin son:

Figura 11: Curva esfuerzo deformacin del acero.


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Perfil del material:

La resistencia de una viga es proporcional a su perfil (rea de su seccin transversal). El peso y elvalor (costo) de la viga son tambin proporcionales al rea de la seccin. El uso de perfiles pesadostiene ciertas limitaciones en las minas que necesitan de materiales ligeros a medianamentepesados. El rea de la seccin y el peso de las vigas I DIN 21541 se dan en la tabla 1. Las seccionestransversales ToussaintHeinzmann (TH) se tabulan en la figura 12 y en la tabla 2.

Tabla 1: Caractersticas de las vigas I de DIN 21541.

Figura12: Vista en perspectiva de los perfiles T-H.


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L os perfiles de acero empleados en las explotaciones mineras se clasifican preferentemente porsu resistencia a toda clase de cargas, as como por la posibilidad de enderezarlos posteriormente.La resistencia se calcula segn las leyes de la esttica, en primer lugar independientemente delmaterial empleado, repartiendo las masas respecto a los dos ejes principales que se suponen

trazados en el perfil. El eje de las x es horizontal, y el de las y, vertical (como se observa en lafiguras anteriores de los perfiles I y T-H). Los perfiles pueden estar sometidos a esfuerzos decompresin, torsin, pandeo y flexin.

Modulo de seccin:

Los perfiles se caracterizan por su mdulo resistente (o mdulo de seccin) alrededor de los ejesdel perfil, es decir, por Wx y Wy.En la mayora de los perfiles, Wx es mucho mayor que Wy (comose observa en la tabla 1 para los perfiles I de DIN 21541)ya que aqullos estn ms cargados endireccin al centro de la galera que segnel eje de la misma. Adems se puede prevenir la flexinde los arcos en sentido paralelo al eje de la galera efectuando un acodalado de los mismos.

Rendimiento del perfil:

La relacin del mdulo resistente al peso del metro lineal de perfil Wx/G o Wy/G se representa porlas caractersticas x y y, que se denominan tambin rendimiento

esttico o rendimiento delperfil. La comparacin de diferentes tipos de perfiles, basndose en esta caracterstica es lcitasolamente cuando se trata de aceros de igual peso por metro lineal.

E n los perfiles I la relacin Wx/Wy oscila entre 3 y 5. Por su gran mdulo resistente cuando losesfuerzos actan segn el eje de las x, estn especialmente indicados cuando han de soportaresfuerzos de flexin. Se emplean preferentemente en arcos de fortificacin de galeras, siendotambin adecuados como monteras.

El perfil I para fortificaciones mineras (perfil G I) se fabrica en los tamaos comprendidos entre G I70 y G I 140, estando indicadas sus dimensiones en las normas DIN 21541 (ver tabla 1). Sediferencia de los perfiles corrientes en I en que las alas y la unin de stas con el alma estnreforzadas.En los perfiles acanalados de Toussaint y Heinzmann (perfil ste insensible al pandeo) la relacinWx/Wy es aproximadamente de 1,0. Ideado en un principio para estemples de entibacin de losfrentes de arranque, se emplea en la fortificacin de galeras, pese al inconveniente de su escasomdulo Wx, ya que la forma acanalada da una buena flexibilidad a la fortificacin. Por lo tanto, se

Tabla 2: Caractersticas de los perfiles T-H.


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emplean en galeras de explotacin y en estril, y ltimamente tambin en la fortificacin deespacios grandes.

Momento de inercia:

Las tablas 1 y 2 tambin dan valores para el momento de inercia I (en centmetros elevados a lacuarta potencia), que es una propiedad geomtrica de la seccin transversal de los elementosestructurales (de los perfiles de las vigas de acero). Est relacionado con las tensiones ydeformaciones mximas que aparecen por flexin en un elemento estructural, y por lo tanto,junto con otras propiedades del material determina la resistencia mxima de un elementoestructural bajo flexin.

Para las vigas I de DIN 21541, como se muestra en la tabla 1, el momento de inercia en el eje x (Ix)

es mayor que el momento de inercia en el eje y (Iy), para un determinado perfil. Por ejemplo, para

el Perfil GI 110: Ixes igual a 510 cm4para un modulo de seccin de Wx= 103 cm

3y el momento de

inercia en el eje y es Iy= 103 cm4para un modulo de seccin de Wy = 103 cm

3. Ntese que elmomento de inercia aumenta con el modulo de seccin en cada perfil.

Hay que advertir adems que los soportes curvos tienen un momento de inercia menor que losrectos. La disminucin puede alcanzar hasta un 35 %.

Por ltimo hay que estudiar el perfil desde el punto de vista econmico, esto es, debe de teneruna forma tal que permita enderezarlo con facilidad, a ser posible. Por lo tanto, se los puedevolver a emplear con mayor frecuencia. Es necesario tambin que su fabricacin sea sencilla, paraque su precio de adquisicin sea bajo. Segn este criterio los perfiles laminados son msfavorables que los perfiles cerrados soldados, que adems son ms difciles de enderezar.

Arcos de acero:

La fortificacin con arcos metlicos, es decir, con bastidores curvos abiertos en el piso, haalcanzado gran difusin. Existen arcos de distintas formas cuyas caractersticas no son del todouniformes. Cabe distinguir el arco semicircular terminado en patas casi perpendiculares, el arco enforma de portal, con sus extremos arqueados hacia el interior, y el de forma de herradura. Lasdiversas formas estn determinadas en las hojas de normas DIN 21 531 y 21 532, o en las normasde los diversos fabricantes, para distintas magnitudes de la seccin de la galera. En general, laaltura aumenta cuando la anchura medida en el piso es creciente, pero conservndose siempremenor que esta ltima en un 20 % si la seccin, es pequea, y en un 30 % en las mayores. Desde elpunto de vista del esfuerzo a que estn sometidos los arcos a causa de la presin del terreno, esdecir, para disminuir los gastos de conservacin de las galeras, sera ms favorable una alturamayor, que lleva aparejada, en cambio, unos costos de ejecucin mayores, por su seccin dearranque, ms amplia, y un consumo de acero mayor.

Hay arcos de dos y tres segmentos, y tambin, pero ms raramente, de cuatro segmentos. Puedenser tambin flexibles o rgidos.

Diseo de arcos rgidos:

Existen arcos tpicos de acero de seccin transversa de 10 m2 y 18 m2. Estos arcos sonsemielpticos y la dimensin mayor es sobre el piso. Muchos arcos rgidos pueden simplificarse


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dndoles forma semicircular, arriba de cierta distancia. Se supone que las partes de conexin sonmuy rgidas.El perfil ms empleado para arcos rgidos es el GI de las vigas I DIN 21 541 (ver tabla 1).

El diseo consiste en calcular el perfil del arco. Para calcular la seccin transversal del arco, elesfuerzo se deber determinar cmo sigue:

||

|| ( )

En donde:

||= Valor absoluto del esfuerzo (ton/m2).= Carga uniforme del techo (ton/m).r = Radio del arco (m).= Reaccin de los lados (ton)F = rea de la seccin del perfil, en metros cuadrados.W = Mdulo de seccin del perfil, en metros cbicos.= Esfuerzo permisible del acero para los ademes de las minas, 1,400 kg/cm2 14,000 ton/m2.

Figura 14: Modelo esttico de un arco rgido idealizado de acero.

Figura 13: Arco rgido de acero tpico y distintas conexiones.


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Como en la ecuacin (1) tenemos dos incgnitas F y W, para un diseo conveniente se deberaplicar el mtodo de tanteos. Sin embargos, en las especificaciones DIN:

Por lo tanto:

|| ( )

La ecuacin (3) es de segundo grado con respecto a W, y de deber tomar la raz positiva de laecuacin. Despus de que W se ha determinado el perfil ms prximo se obtiene de la tabla 1(perfiles GI).

Diseo de arcos (Moll) articulados:

El ms popular de los arcos articulados, el arco Moll, se construye con tres piezas largas de

cabezales de madera y con secciones arqueadas de acero que se apoyan en stos. En la figura 15a,los cabezales de madera se designan con el nmero, y se colocan tanto arriba como a los lados delsocavn, los arcos de acero se designan con el nmero 3, los travesaos (o traveseros) laterales sesostienen ya sea con postes de acero o con postes de madera, se designan con el nmero 4, o concalces de madera como se muestra en la figura 15b.

En el diseo, el anlisis es similar al del arco rgido, solo que la porcin vertical se reduce a cero(h= 0).Por lo tanto, el esfuerzo se deber determinar cmo sigue:

||

Como en la ecuacin tenemos dos incgnitas F y W, para un diseo conveniente se deber aplicarel mtodo de tanteos. Consiste en tomar varios perfiles y verificar los esfuerzos permitidos. Seescoger aquel perfil cuyos valores de F y W den el mayor esfuerzo para el perfil que sea menor alesfuerzo permisible del acero (para un acero de resistencia 37, = 1400 kg/cm2)En caso de que esfuerzo calculado para el perfil escogido sea mayor que el esfuerzo permisible delacero, es decir || , existen las siguientes tres posibilidades:

Figura 15: Formas de arcos articulados.

a) b)


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1.

Reducir la distancia entre los ademes arcos (a mas pequeo).2.

Utilizar un perfil ms grande (F y W ms grandes).3.

Utilizar un acero de calidad superior (tal como el de resistencia 52).

||

Con tres articulaciones se debern satisfacer valores ms altos para los momentos, y el perfil quese utiliza para dos articulaciones no resulta seguro al utilizar los mismos valores numricos tantoen 2 como en 3 articulaciones. Por consiguiente, se debe considerar las tres posibilidades osoluciones mencionadas anteriormente.

Diseo de arcos cedentes:

Los arcos cedentes se componen de tres secciones. La seccin superior se desliza entre loselementos laterales. Aproximadamente cada 15 das, los elementos tensores se aflojan y los arcosse deslizan y convergen, de esta manera los esfuerzos se aminoran en ellos y se eliminan lasdeformaciones.Los elementos tensores de los arcos cedentes se aflojan cada cierto tiempo, esto depender de lascondiciones del lugar. Relacionado con algunas medidas que se va tomando de la cedencia,deformacin en el tiempo que tiene la galera. Para esto se cuelga una plomada del techo, se ladeja y se mide cuanto se va acercando el tacho al piso. Ac se tendr en cuenta dos componentes,el hinchamiento del piso (por hidratacin de las capas) y la cedencia propiamente dicha(deformacin del estrato por la carga). Esta cedencia medida es la que me dar la idea aproximadade cada cuando tiempo voy a aflojar un poco el arco cedente para que acompae el movimientosin colapsar, de esta manera se reacomodan las tensiones por un tiempo.

Figura 16: a) Modelo esttico idealizado de Arcos Moll con dos articulaciones. b) SistemaMoll con tres articulaciones.

a) b)

Figura 17: Principio de trabajo de los arcos cedentes.


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Toussaint y Heinsmann disearon los primeros arcos cedentes con los perfiles en forma de U.

Calculo estimado de los arcos cedentes:

Los arcos cedentes al disminuir 30 o 40 cm de altura, no pueden proporcionan un modelo estticopara los clculos. La estimacin de las dimensiones se hace segn el criterio de convergencia delcamino principal.Formula de estimacin de 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.

Figura 18: Arcos cedentes Toussaint - Heinzmann.

Figura 19: Arcos cedentes ToussaintHeinzmann usados en las minas de carbn francesas.


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m = Espesor del manto, en metros.= Coeficiente, segn el ademe de las nervaduras de la entrada. (Tabla 3)= Coeficiente segn la roca del suelo. (Tabla 4)Consideraciones:K '/ K < 0.7 perfiles cedentes, 26 a 29 kg/m.K '/ K > 0.7 perfiles cedentes, 3 0 a 36 kg/m.

Tabla 3: Coeficiente Kt, segn el ademe de las nervaduras laterales de la entrada del tnel.

Tabla 4: Coeficiente Kf, segn la roca del techo.


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Sostenimiento con acero en los frentes largos:

La baja resistencia, el alto costo de la madera y la mecanizacin de las frentes largas condujeron ala utilizacin del acero en los sistemas de ademe. Este adelanto condujo a la mecanizacin total y ala automatizacin en las frentes largas, con lo que se logro una produccin alta y la concentracinde lugares de laboreo en las minas.La figura 20 muestra los primeros ademes de acero con postes de friccin y cabezales articulados,las posiciones de los ademes de acero como se ven en planta se indican en la figura 20a, y la vistade la seccin transversal, el figura 20b.

Un marco de acero se compone de:1)

Un poste2)

Un cabezalEstos se colocan en forma de T. Los cales o cuas de madera (3) se colocan de acuerdo a lascondiciones del techo. El marco se puede instalar con facilidad colocando un sistema de seguridad(7) y, tambin, se puede quitar fcilmente por el mismo sistema de seguridad (6), al trasladar elmarco de la fila de atrs a la fila de adelante. El techo de la parte trasera de la frente larga se

hundeen este avance.

La articulacin de los cabezales permite la colocacin del poste al final del turno de trabajo,teniendo as un rea de frente sin postes para que el transportador de cadenas (4) se muevalibremente y la mquina de extraccin del carbn (5) lo corte y lo cargue en el transportador.

Los postes son telescpicos (regulables), fabricados en dos piezas que se deslizan una dentro de laotra y se ajustan segn el espesor del manto. La colocacin de los postes se termina con unmecanismo de seguridad para los postes de friccin, y por medio de un mecanismo hidrulico o unfluido a presin que se obtiene de las mangueras de la frente en los postes hidrulicos.

Los cabezales son vigas simples en forma de I que tiene una articulacin y un mecanismo decolocacin para soportar el techo durante un corto tiempo.

Figura 20: Ademes de acero en las frentes largas con postes de friccin y cabezales articulados.b)

a)


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Los postes hidrulicos se mejoraron al lograr que el poste, el cabezal y el transportador de cadenaformaran una sola unidad denominada ademe caminante o cuas caminantes(figura 21).Cada unidad mecanizada de ademe se compone de 4 a 6 patas (1) sostenidas por un cabezalgrande (escudo) (3). La mquina de extraccin (2) se coloca sobre el transportador de cadena y seempuja contra la frente por medio de un sistema mvil recorriendo un camino ondulado.

Los ademes avanzan por si mismos (autoavanzan) por la accin del tirn hacia el transportador decadena; entonces al caminar y sobrevenir elhundimiento del techo se realiza un avance.Hay varios avances (de tres a seis) durante el turno, segn los cortes que se lleven a cabo,alcanzando un avance de 1,5 a 5 metros por medio de extraccin y produciendo una gran cantidadde toneladas con pocos trabajadores.

Postes o estemples de friccin:

La construccin y el principio de trabajo de los postes de acero de friccin se indican en la figura22.

Figura 21: Ademes mecanizados en las frentes largas.

Figura 22: Fundamento de los postes de friccin.


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El poste est formado por una pieza cilndrica exterior F y una pieza interior P que se conectan pormedio de placas de desgaste o de frotamiento a y se sostienen por medio de la fuerza horizontalH. Esta fuerza se caula como sigue:

En donde:

H = Fuerza horizontal de seguridad, en toneladas.R = Carga en el lmite elstico, en toneladas.= Angulo de friccin entre la pieza interior y las placas de apoyo, .i = Angulo de conicidad de la pieza interior, n = Nmero de las superficies de friccin, n = 2 en la mayora de los postes.

Generalmente, existen dos superficies de friccin, pero hay postes con mas superficies (postes conhendiduras o postes divididos, n = 4) y una variedad de manera para aumentar las superficies defriccin.

Postes cnicos: se llaman postes cargados lentamente o con lentitud. La carga que soportan esproporcional al hundimiento. Figura 23.

Conforme se hunde a pieza interior, la conicidad de esta pieza fuerza al sistema de seguridad para

que incremente y ejerza mayor empuje horizontal sobre el mismo sistema.

Postes cilndricos: i = 0, la fuerza horizontal se ejerce por medio de una cua extra servo cua-,

como se indica en la figura 24. Debido a la conicidad tal alta (1/10), el servo ejerce una gran fuerza

de seguridad al hundirse ligeramente (20 mm). Por esta razn, se les llama poste de carga

instantnea, como se observa en la curva.

Figura 23: Sistema de seguridad y curva caracterstica de los postes cnicos de friccin.


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mangueras, a una bomba situada en la galera, figura 27. Esto elimina la bomba manual y hace ms

ligero el poste, pero se necesitan en las frentes mangueras con fluido a presin.

Finalmente el poste se puede bajar con facilidad abriendo la vlvula v, al tirar del anillo exterior

para hundir F. esto permite que el fluido corra de la pieza exterior a la interior y descienda el

poste.

Los postes hidrulicos trabajan mucho mejor que los postes de friccin, son de fcil colocacin y

descenso; adems, mantiene las cargas en el nivel deseado, lo que origina una menor

convergencia.

Cabezales o montantes articulados:

El techo se sostiene mediante cabezales articulados que se apoyan sobre postes hidrulicos o de

friccin. Los cabezales son vigas de acero de 1,0 a 1,5 metros de longitud, las cuales tienen una

articulacin en donde se enganchan y permanecen sin ningn otro ademe durante un corto

tiempo. Esta articulacin se asegura por medio de varias conexiones de cua.

Figura 26: Mando de extensin de los postes hidrulicos.

Figura 27: Mamposta con bomba colectiva.


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La articulacin proporciona un claro sin postes de 2 metros, en donde el transportador, las

maquinas de extraccin y los impulsores de los transportadores pueden operar libremente. Esta

articulacin deber sostener los bloques que se forman por fracturas a 45, los cuales por lo

general pesan de 1 a 1,5 toneladas, como se indica en la figura 28.

Los perfiles de los cabezales son vigas H que se refuerzan al agregar piezas a los lados y se

convierten en perfiles cuadrados.

Diseo de postes y cabezales:

El diseo abarca la densidad de los postes (numero de postes por metro cuadrado), dimensiones

del perfil del cabezal y la penetracin o intrusin sobre la roca del piso de un manto, el cual deber

tener la capacidad de soportar una carga sin permitir su penetracin.

Calculo de la densidad de los postes:

Para calcular la densidad de los postes, se evalan los esfuerzos por medio de las diferentes

formulas para frentes largas (Terzaghi, Siska, etc) de los ademes de madera.

En donde:= Presin evaluada sobre el techo, en toneladas por metro cuadrado.L = Ancho de la frente, distancia sostenida por ademes, en metros.= Distancia entre las filas de los ademes, en metros.Pn = Carga nominal de un poste, en toneladas.K = Factor de eficiencia de los postes (Por tabla 5, segn tipo de poste y su carga nominal).N = Nmero d postes por hilera.

n = Factor de seguridad, generalmente 2.D = Densidad de los postes, piezas por metro cuadrado.

Procedimiento:

1.

Se calcula (la presin del techo en la frente larga) mediante Terzaghi o Siska.2.

Se calcula con la formula (1).3.

Se calcula D con la formula (2).

Figura 28: Cabezales articulados.


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Penetracin de los postes en el piso:

La roca del piso de un manto debe tener la capacidad de soportar una carga sin permitir su

penetracin. La penetracin ocasiona una gran convergencia y el problema de mover el poste de

atrs de la frente hacia adelante.

Si el rea del poste es F y la resistencia de seguridad de la roca es, el esfuerzo que se desarrolladebe ser:

Si el poste tiene un esfuerzo mayor que la resistencia de la roca del piso (si ), se hunde. Ental caso, se debe utilizar un tamao mayor del poste, o el piso se excava ms con el fin de alcanzar

una roca ms fuerte, o se usan refuerzos ms grandes como se indica en la figura 29.

Dimensin de los cabezales:

Los cabezales que se sujetan juntos se pueden considerar como una viga continua apoyada en

postes, y se puede utilizar la formula de flexin (la misma que se utiliza para ademes de madera en

las frentes largas).

Tabla 5: Factor de eficiencia del poste

Figura 29: Precauciones contra la intrusin o penetracin en el piso.


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En donde:= Presin del techo en las frentes largas (kg/cm2)= Distancia entre las hileras (cm).= El claro (distancia entre los postes) (cm).: Modulo de seccin (cm3), se obtiene por tabla, se prueba con diferentes perfiles de vigas,hasta que se encuentra un W tal que el esfuerzo de flexin del cabezal sea menor al esfuerzo

permisible del acero, es decir .

Ademes mecanizados o soportes energizaos:

Este tipo de ademes se ha obtenido despus de los grandes avances en los ademes de acero de las

frentes largas. Hasta la segunda guerra mundial, estuvieron en uso los postes de friccin y las

varillas o barras. Los postes hidrulicos se desarrollaron en un esfuerzo para vencer los defectos

del envejecimiento de la superficie de friccin y los errores humanos de precargar los postes. La

convergencia se redujo con el trabajo hidrulico del poste, pero las penetraciones en el piso y los

cambios intermitentes de atrs hacia delante de la frente, no iban a la par con el paso de la

extraccin mecnica del carbn.

Este tipo de ademes, es un sistema de diseo hidrulico, con postes y cabezales incorporados en

una sola unidad y conectados a los transportadores blindados para avanzar simultneamente con

el corte en la lnea de la frente. Tales sistemas de ademe se llamaron cuas caminantes, ya que

caminan o avanzan por s mismas tiradas por el transportador. Adems, este sistema se ha

mejorado con diferentes diseos que hacen que el techo sea ms seguro como con la introduccin

de los ademes de escudo.

Los ademes mecanizados en las frentes largas, logro un alto rendimiento por hombre turno, una

mayor recuperacin y, la restriccin en el laboreo dejando pilares, por lo que, se utiliza en la

produccin de carbn en muchos pases.

Tipos de soportes mecanizados:

1.

De cua

2.

Armados

3.

De escudo

4.

De escudo y cua


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1)

Ademe de cua:

Lo fabrico la compaa Gullick de Inglaterra, y es una cua hidrulica como se muestra en la figura

30. El modelo original se compone de un bloque (cua) con un pistn horizontal y de cuatro

verticales. Los pistones se conectan a los cabezales con seccin de canales de hacer, los cuales se

refuerzan por medio de placas o planchas de acero.Los pistones verticales sostienen el techo y el pistn horizontal empuja el transportador.

Elementos del ademe:

1.

Escudo rgido (cabezal) de ancho completo, tiene prolongaciones para sostener el techo

despus de que ha pasado la mquina de corte.

2.

Pierna.

3.

Caja de pata autocentradora (o de centrado propio).

4. Martinete de doble efecto.

5. Estructuras de las bases delanteras.

6.

Cubierta de piso para el andn o pasarela.

7.

Estructura de la base posterior.

8.

Escudo antiflujo, para proteger la cua de los bloques de hundimiento.

9.

Vlvula de control hidrulico.

10.

Mangueras hidraulicas.

11.

Amortiguador (o estabilizador)

12.

Barras del marco.

2)

Ademe armado:

El ademe armado lo desarrollo por primera vez la compaa Dowty en Inglaterra. El sistema secompone de dos ademes diferentes con dos y tres patas. La unidad con dos patas se conecta al

transportador y avanza con la mquina de corte para cubrir el rea del techo abierta

recientemente Figura 31a. Las piezas con tres patas se usan para ademar el techo de la frente;

despus de que la mquina de corte ha pasado, avanzan y se alinean de nuevo con las unidades de

dos patas. El ademe moderno que se fabrica con unidades de dos patas se muestra en la figura

31b.

Figura 30: Ademe tpico de cua.


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Elementos del ademe:

1.

Articulacin o charnela.

2. Conjunto del control hidrulico.

3.

Empujador de ballesta o de resorte de hojas.

4.

Base central.

5.

Placa de soporte de los tornillos niveladores con tornapunta.6.

Cilindro corredizo o regulador.

7.

pata.

8.

Escudo articulado.

3)

Ademe de escudo:

Para frentes de fcil hundimiento. Estos se componen de una placa inclinada cuyo extremo inferior

se articula con la placa horizontal de base que se asienta en el piso, mientras que el extremo

superior se articula con el escudo horizontal que est en contacto con el techo. Existen diversos

tipos. Todos, sin importar su tipo, se componen de un escudo, una base, patas hidrulicas y un

sistema de control.

Ademe caminante con escudo calibrador: tiene una conexin simple entre la base y el

escudo, de manera que cuando los cilindros se extienden, la punta del escudo del techo se

aleja del lmite de la frente y cuando se acortan, el escudo avanza, figura 31a.

Ademe con escudo lemniscata:una articulacin especial entre la base y el escudo para

el relleno de material de desechos mantiene una distancia constante entre la frente y el

Figura 30: Ademe tpico armado.

a)

b)


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extremo del escudo, ya sea que los cilindros hidrulicos se muevan hacia arriba o hacia

abajo, figura 31b.

Escudo de 4 patas: las dos patas posteriores reaccionan entre la base y el mismo escudo,

mientras que las patas delanteras reaccionan entre la base y el escudo del techo, figura

31c.

Elementos del ademe con escudo calibrador, figura 31a:

1.

Escudo.

2.

Escudo del relleno de material de desechos.3.

Charnela.

4.

Base.

5.

Patas.

6.

Vlvula de control hidrulico.

7.

Martinete hidrulico.

8. Placa de avance para difusin.

Figura 31: Ademes tpicos de escudo.

a)

b)

c)


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9.

Transportador de artesas.

10.

Manguera.

11.

Placa contra la astilladura.

Elementos del ademe con escudo lemniscata, figura 31b:

1.

Escudo.

2. Broquel del relleno de material de desechos.

3. Conexin de la lemniscata.

4.

Base.

5.

Pata.

6.

Vlvula con control hidrulico.

7.


8.

Placa de avance para difusin.

9. Transportador de artesas.

10.Manguera.

Elementos del ademe con escudo de 4 patas, figura 31c:

1. Escudo.

2. Escudo de relleno de material de desechos.

3.

Base.

4.


5.

Placa de avance para difusin.

6.

Pata.

7.

Vlvula con control hidrulico.

Componentes de los ademes mecanizados:

a.

Escudos

b. Placas base

c. Patas (gatos)

d.

Suministro de energa hidrulica

e.

Sistema de control

a)

Escudos:

El tamao del escudo vara desde 1,61 hasta 9,4 m2

. Los marcos de los escudos pueden ser decualquier forma, pero los perfiles rectangulares son los ms comunes.

En escudo de cua es generalmente una pieza solida que se articula para acomodarse a las

irregularidades o cavidades del techo.

La articulacin permite aumentar el rea de contacto con el techo (68%).

El rea totalmente fortificada al utilizar escudos de cua vara generalmente entre el 85% y el 90%

del rea de la frente.


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b)

Placas de base:

Estn disponibles en cualquier tamao. Las bases para los ademes armados estn divididas en

mitades, mientras que las placas de base solidas se usan para ademes de cua y de escudo, que

proporcionan mayor estabilidad.

Cada placa de base est provista de patines; el diseo ms comn es una combinacin de un patntrasero con un solo patn delantero dividido.

El rea de contacto con el piso vara desde 0,8 4 m2 (ademes de cua) y de 0,13 2,75 m2

(ademes armados).

c)

Patas (gatos):

El dimetro interior de los gatos hidrulicos vara de 10 a 30 cm.

Cuando se levantan los gatos contra el techo, la carga total que se ejerce sobre el mismo es:

En donde:

P = carga total del montaje (kg)

= Presin hidrulica de operacin (presin de la bomba) (kg/cm2)A = rea de la seccin transversal (cm2)

N = N de patas

d)

Suministro de energa hidrulica:

Existen 4 tipos de fluidos hidrulicos:

1.

Emulsin de aceite soluble en agua al 5%

2.

Emulsin de agua en aceite al 40%

3.

Solucin de glicol en agua al 50%

4. Aceite de petrleo refinado

Todos estos tipos de fluidos hidrulicos deben tener bajo costo, baja viscosidad, ser inflamables,

tener una alta resistencia a los cambios qumicos al ponerse en contacto con el aire. Adems

deben ser resistentes a la formacin de espuma (el aire produce daos mecnicos y calor). Para

proteger las partes mviles se necesita tambin de lubricacin y proteccin contra la corrosin.

e) Sistema de control:

Los ademes se pueden controlar de varias maneras:

1.

Operacin manual en cada ademe: Tiene problemas de seguridad.

2.

Operacin manual en cada ademe desde la unidad vecina: Se utiliza ampliamente.

3.

Operacin manual desde puntos selectivos de la frente: Ms comn y ms seguro.


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4.

Control automtico desde la entrada de la galera: Se adopta solo con una operacin

automtica de la mquina de corte.

Diseo de los ademes mecanizados:

Las condiciones geolgicas y de esfuerzo son muy importantes para el diseo de los ademesmecanizados. Estos factores intervienen en el control de los estratos, as como en el costo del

sistema de ademe. Por lo tanto, se debe escoger la capacidad correcta de los ademes para

satisfacer las condiciones geolgicas y de esfuerzo en cada caso.

Para el diseo de ademes caminantesno existe un conjunto o sistema establecido de formulas.

Casi cada pas ha establecido sus propios sistemas. Por lo tanto, se describirn los sistemas usados

por pas.

Sistema alemn:

Las capacidades de carga de los ademes caminantes de cua y de escudo se calculan como semuestra en la figura 32.

- Para ademes de cua, (figura 32a):

Con K = 1,5 y = 2,5 Tn/m3, queda:

En donde:

= capacidad mxima de carga del ademe de cua (Tn/m2)m = potencia del manto

n = factor de seguridad, generalmente n=2

K = factor de expansin del techo inmediato

-

Para ademes de escudo, (figura32b):

En donde:

F = capacidad de carga (Tn/m2)

R = reaccin del pistn (Tn)

= distancia de la carga recibida la charnela o articulacin posterior (m)= distancia del pistn a la charnela o articulacin (m)


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Sistema Ingles:

Se toma en cuenta el peso del techo inmediato, como se observa en la figura 32a, y se obtiene por

medio de la formula siguiente:

En donde:

= capacidad mnima de carga del ademe (Tn/m2)= densidad del techo inmediato (Tn/m3)

W. Wilson ah analizado las cargas bajo condiciones inclinadas y a nivel. En mantos inclinados, la

carga en los ademes es (figura 33):

En donde:

= carga de ajuste o de fijacin del ademe (Tn)W= Peso del bloque sobre el ademe (Tn)

= ngulo de inclinacin= ngulo de friccin entre el techo inmediato y el techo principal.

Figura 32: Cargas sobre la cua y el escudo de los ademes caminantes.

a)

b)


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Sistema Austriaco:

La idea principal es que el techo inmediato se sostenga por medo de los sistemas hidrulicos de

cuas o de marcos caminantes.

Los momentos de los ademes hidrulicos debern ser mayores que el momento de la carga

muerta del techo inmediato.

La capacidad de carga de los ademes caminantes se puede calcular como se indica en la figura 34 y

mediante las siguientes formulas:

Figura 33: Carga sobre los mantos inclinados.


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En donde:

= Capacidad mnima de soporte de una unidad hidrulica (Tn)

= factor de hundimiento, generalmente = 0,9n = N de unidades de marcos o (cua) del ademe caminante por metro lineal de la frente

d = longitud del escudo, o la distancia entre la parte trasera del ademe y la orilla de la frente (m)

e = distancia entre la parte trasera del ademe y el techo sin hundir (m)

m = espesor del manto

k = factor de expansin (se toma de 1,4 a 1,6)

= densidad del techo inmediato (Tn/m3)

Segn la ltima ecuacin, conforme e (rea sin derrumbe) aumenta el ademe deber ser ms

grande (ms fuerte).

Sistema Francs:

Este sistema basa sus clculos para los ademes caminantes en las medidas de convergencia en la

frente. Segn la frmula siguiente:

En donde:

CvT = Convergencia en la frente (mm/m de avance)

W = espesor del manto (0,8 a 3m)

q = factor de hundimiento, 1 para hundimiento; 0,6 para relleno neumtico; 0,15 para relleno

hidrulico.

H = profundidad bajo la superficie (entre 100 a 1000 m)

= capacidad para soportar carga del ademe (en Tn/m de longitud de la frente)La aplicacin de la ecuacin se da en la siguiente grafica para una profundidad de 500 m en

diferentes espesores equivalentes qW. La convergencia disminuye rpidamente para las

Figura 34: Carga sobre los ademes caminantes.


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capacidades de carga de 10 a 100 Tn/m, y no se deber permitir que la convergencia sea mayor de

40 mm/m.

En la figura 36 se indican las caractersticas del techo clasificadas en las categoras A, B y C para las

capacidades de soporte de las cargas que se desean (en toneladas por metro) contra los espesores

equivalentes de los mantos qW. Las caractersticas del techo A, se refieren a un techo fuerte y

grueso (de ms de 1 m). Existen pocas fracturas y el techo est cortado formando grandes

bloques por medio de fisuras paralelas que se indican hacia la cmara rellena de material de

desechos. B se refiere a una cmara de desechos fuertes y estratificada que se compone de

estratos ms delgados y fracturados en una malla ms fina que en A. La curva C se refiere a un

techo frgil (carbn, esquisto margoso, lutita) el cual se desprende en pequeos bloques tan

pronto como en la frente. Como se indica en la figura es suficiente un ademe para 140 Tn/m en el

techo frgil, mientras que se necesita una capacidad mnima de 250 Tn/m para los fuertes ygruesos.

Figura 35: Relacin entre la convergencia promedio y la capacidad de soporte pormetro lineal del ademe.

Figura 35: Capacidad de soporte o carga deseada en funcin del espesor de trabajoa una profundidad de 500 m.


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Sistema Polaco:

Este sistema se basa en las grietas de la frente. La capacidad de soporte de un rea ademada con

tres unidades, se muestra en la figura 36, y est dada por la siguiente frmula:

En donde:

Po = Capacidad promedio de carga (Tn/m2)

P1 = carga nominal de una unidad (Tn)

P2 = carga sobre la unidad cuando avanza, se toma como cero (Tn)

P3 = carga sobre la unidad recin colocada (Tn)

F = rea de la frente cubierta por tres ademes (m2)

n = factor de eficiencia de los ademes (se toma como 0,8)

Para evaluar el ademe conveniente, se determina las condiciones del techo. Los techos se dividen

en 5 categoras, cada una con un ndice de techo determinado, como se describe en la tabla 6.

El ndice L del techo se puede tomar de la tabla 6, o mediante la siguiente frmula:

Figura 36: Capacidad de carga promedio de los ademes caminantes.


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En donde:

L = ndice del techo

= Resistencia a la compresin uniaxial de la roca del techo (kg/cm2) = coeficiente de resistencia in situ, 0,33 para arenisca, 0,50 para limolita.

= coeficiente de fatiga, 0,70 para arenisca, 0,60 para limolita.

= coeficiente de contenido de agua in situ, 0,60 para arenisca.

Sistema Estadounidense:

En este sistema, desarrollado por el U.S Bureau of Mines (Oficina de Minas de EE.UU.), se supone

que el techo inmediato se comporta como una viga en voladizo. Se fractura delante de la frente a

una distancia igual a la altura del manto; el techo que va a soportar se extiende desde el extremo

del voladizo hasta la fractura supuesta. En la figura 37 se muestran tres casos.

Tabla 6: ndices de techo para la evaluacin de los ademes mecanizados

Figura 37: Estimacin de U.S Bureau of Mines sobre los ademes caminantes.


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En el primer caso, existe una abertura mnima (hueco entre el extremo del ademe y la orilla de la

frente del carbn. En el segundo caso, similar al primero, excepto que se ha hecho un corte en la

frente. En el tercer caso existe un gran voladizo (20).

La carga esttica que los ademes van a soportar para todos los casos se puede generalizar como

sigue:

En donde:

W = Peso del techo inmediato que se va a soportar (Tn)

= Longitud de la viga (m)i= Nmero de casos: 1, 2, 3.

S = Espaciamiento promedio entre los ademes (m)

H = Espesor del techo inmediato.

W = Densidad de la roca del techo inmediato (Tn/m3)

T = Carga mnima cedente determinada para el ademe.

Ventajas de los ademes mecanizados:

Baja convergencia: los sistemas hidrulicos controlan el techo con mucha eficiencia.

Produccin alta: debido a la mecanizacin, los sistemas pueden avanzar hasta 5 o 6 metros

por da. Esto incrementa la produccin, disminuye el nmero de frentes de operacin

requeridas y se concentran ms los rajos mineros.

Produccin segura: el control efectivo del techo ha minimizado los accidentes por las

cadas de lajas del techo.

Alto rendimiento: el rendimiento por hombreturno en los sistemas con ademes

mecanizados se ha incrementado en comparacin son el sistema convencional (poste

hidrulico con cabezales articulados).

Desventajasde los ademes mecanizados:

Costo de capital: Necesitan una alta inversin de capital.

Alto costo de mantenimiento: Es ms alto que para los ademes mecanizados.


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Mano de obra calificada: estos sistemas de ademes requieren mano de obra altamente

calificada.

Especificaciones geolgicas: son difciles de satisfacer, se debe cumplir con las grandes

reas, las variaciones en el espesor del manto y con las condiciones de operabilidad

mecnica.

Conclusin:

A medida que se mecaniza el arranque y el transporte en las explotaciones del carbn ganaimportancia el trabajo de fortificacin, ya que la parte de tiempo y costos empleada en dichotrabajo aumenta proporcionalmente segn se van mecanizando los otros trabajos. La fortificacinmecanizada debe soportar el tech y poder adaptar su resistencia a las distintas condiciones delterreno. Sus distintos elementos componentes deben estar constituidos de tal forma, que sepuedan introducir y extraer de las explotaciones con facilidad, tambin seguir al frente dearranque de una manera continua y facilitar una explotacin progresiva independiente de la

anchura de la zona fortificada.Cabe aclarar, que en la aplicacin de los ademes mecanizados se debe tener en cuenta lassiguientes consideraciones:

El techo se debe hundir. Si no se hunde o se cuelga y se cae de repente, no es convenientepara el laboreo por frentes largas. Entonces, se deben utilizar algunos sistemas de relleno.El techo ms adecuado se hunde conforme avanza el ademe. Sin embargo, cuando untecho dbil se desmorona en vez de hundirse, se deja una parte del carbn en forma depilar para fortificarlo.

El piso deber ser lo suficientemente fuerte para resistir las intrusiones, ya que estorepresenta un problema para el avance.

El espesor del mato y su regularidad son importantes. Las irregularidades grandes no sepueden satisfacer. Puede ser difcil para las maquinas de extraccin y para los equipos derezagado cortar las secciones bajas. El espesor mximo con el que se puede trabajaractualmente es de 5 metros.

La operacin ptima se hace en mantos horizontales y hasta 8 de inclinacin, por mediode refuerzos especiales se pueden explotar mantos hasta con 35 de inclinacin.

Las fallas de las rocas del techo y del piso son un problema ya que retardan el avance ydificultan el rezagado. las fallas grandes son difciles de cortar y hacen necesario ejecutarnuevas obras.

El agua en las frentes larga es perjudicial y corrosiva para los ademes. Bajo estascondiciones, se debe drenar el cuartel por medio de perforaciones o se deben escogerademes especiales anticorrosivos.

La anchura del panel o cuartel deber ser lo suficientemente grande para garantizar el usode ademes caminantes. Se necesitan 15 a 20 das para instalar el equipo, lo cual se aadeal costo del carbn; el gasto es mnimo en los cuarteles grandes. La anchura ptima que seha encontrado es de 800 a 1000 metros.

La produccin depende de la longitud de la frente larga y de la velocidad de avance. Lavelocidad prctica de las frentes largas fortificadas con ademes caminantes esaproximadamente de 5 a 6 m por da, en promedio.


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Bibliografa:

Diseo de ademes de minas, Cemal Biron. 1987, Editorial Limusa, S.A. de C.V.

Tratado de laboreo de minas, C. Hellmut Fritzsche. Tomo II, 1965 Editorial Labor,

S.A. Explotacin de minas, V. Vidal Tomo I, Trabajos mineros. Edicin Omega S.A.

Mtodos de explotacin subterrnea y planificacin de minas, Alejandro Novitzky.

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