UNIVERSIDAD NACIONAL DE CATAMARCA

FACULTAD DE TECNOLOGÍA Y CIENCIAS APLICADAS

INGENIERIA DE MINAS

EXPLOTACION DE MINAS 1

PROFESOR: ING. JOSE LUIS MOLINA

AÑO: 2008

TRABAJO PRÁCTICO N° 6

(FORTIFICACION EN MINAS CON PERNOS DE ANCLAJE)

INTRODUCCION A LA FORTIFICACION

La fortificación en labores mineras constituye una importante contribución a la seguridad en labores subterráneas. Por lo tanto, los encargados de esta importante labor minera tienen una gran responsabilidad y deben estar seguros de que su trabajo este bien hecho.

La fortificación en labores mineras tiene los siguientes objetivos básicos:Evitar derrumbesProteger a los trabajadores, equipos, herramientas y materialesEvitar deformaciones de las labores subterráneas.

Paralelamente a las actividades anotadas anteriormente, los responsables de la fortificación tienen que realizar las siguientes actividades:Preparar plataformas de trabajoConstruir buzonesConstruir bodegas

La fortificación se la realiza en todas las labores mineras como:GaleríasChimeneasPreparación y explotación rajosCuadrosLugares de acopio de mineral o materiales

CLASES DE FORTIFICACION

En la industria minera nacional se conocen las siguientes clases de fortificación:Con pernos de anclajeCon pernos de anclaje y malla olímpicaCon maderaCon arcos metálicosCon hormigón armadoCon mampostería de piedraCon schotcrete

FORTIFICACIÓN CON PERNOS DE ANCLAJE (ENTIBACIÓN SUSPENDIDA)

Actualmente se usan diferentes tipos de pernos de anclaje. Muchos de ellos tienen muy poca diferencia uno de otro y en su diseño son variedades del mismo concepto. Sin embargo, es posible clasificar a estos de acuerdo al sistema de anclaje o sujeción. Solamente los más ampliamente difundidos se considerará en la siguiente clasificación:

Pernos anclados mecánicamentePernos anclados con resina o cementoCables de acero anclados con resinaPernos 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 el taladro. Este sistema esta ampliamente difundida tanto en las labores mineras como en la ingeniería civil.En esta primera parte describiremos simplemente los pernos de anclaje mecánicos que son los más utilizados en nuestra minería. En los Manuales Especializados profundizaremos en el tema. En lugares donde la labor permanecerá por muchos años se puede rellenar con cemento.Con muy pocas excepciones, estos pernos de anclaje se usan en rocas medianamente duras o duras. 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

Los pernos de anclaje constan de las siguientes p artes:Chaveta de expansiónPerno de anclajePlancha metálica (4’ x 4’ y ¼” de espesor)Tuerca del perno

EQUIPO PARA LA INS TALACIÓN DEL PERNO DE ANCLAJE MECÁNICO

El equipo y las herramientas p ara la instalación de los pernos de anclaje son:Máquina perforadora stoperMáquina aseguradoraCombo 8 lb.EspadillaEscaleraLave Inglesa

1 PERNO DE RANURA Y CUÑA2 ANCLAJE DE EXPANSIÓN USUAL

3ab ANCLAJES DE EXPANSIÓN COMPUESTO

Fig. 1 Pernos de anclaje

Datos técnicos:

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, es un sistema versátil para fortificación en rocas duras.

Desventajas

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

PERNOS ANCLADOS CON RESINA O CEMENTO

Los pernos de anclaje con resina o cemento han sido usados los últimos 40 años en minas y construcciones civiles. El tipo más comúnmente usado es el perno, barra de fierro 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 y se prestan para pretrensado, esto no descarta su uso en pernos sin tensión previa.En cualquiera de sus variedades, es recomendable para soporte temporal o permanente bajo variadas condiciones de rocas. 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, principalmente el costo, esto no ha ocurrido.

PARTES DE PERNOS ANCLADOS CON RESINAEste tipo de pernos constan de los siguientes elementos:Barra de fierro o acero tratadoResina o cementoPlancha metálica (4´ x 4´ y ¼” de espesorTuerca del perno

PARTES DE PERNOS ANCLADOS CON RESINAEste tipo de pernos constan de los siguientes elementos:Barra de fierro o acero tratadoResina o cementoPlancha metálica (4´ x 4´ y ¼” de espesor

PARTES DE PERNOS ANCLADOS CON RESINA

Este tipo de pernos constan de los siguientes elementos:Barra de fierro o acero tratadoResina o cementoPlancha metálica (4´ x 4´ y ¼” de espesorTuerca del perno

EQUIPO PARA LA INS TALACIÓN DE PERNOS ANCLADOS CON RESINAEl equipo y las herramientas p ara la instalación de los pernos de anclaje son:Máquina perforadora con barrenosMáquina aseguradoraCombo de 8 lbEspadillaEscaleraLlave inglesa

Datos técnicos:

Ventajas:

Rápida acción después de haber sido instalado. Si una resina de rápido fraguado se usa como adherente, el perno puede ser permanentemente pensionado, en las instalaciones permanentes el perno debe tener alta resistencia a la corrosión.

Desventajas:

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 en los pasados 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 pretensión. (Fig. 3).Hay varios hechos 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 y 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. En ingeniería civil ha tenido notable desarrollo.El cable normalmente utilizado corresponde al tipo 15,2 mm x 7 torones.Ventajas:Costo reducidoCorrectamente instalado, es un componente y durable sistema de refuerzo. Puede ser instalado de cualquier largo en áreas estrechas.Entrega una alta capacidad de carga en cualquier tipo de roca.Alta capacidad a la corrosión.

Desventajas:

Una pretensión del cable sólo puede ser posible con una instalación especial.El uso de cemento estándar requiere de varios días de fraguado, antes que el cable pueda tomar carga.

PARTES DE PERNOS ANCLADOS CON RESINA

Este tipo de pernos constan de los siguientes elementos:Cable de acero del tipo 15,2 mm x t toronesResina o cemento

EQUIPO PARA LA INS TALACIÓN DE PERNOS ANCLADOS CON RESINA

El equipo y las herramientas para la instalación de los cables son:- Máquina perforadora stoper con barrenos.- Combo.- Espadilla.- Escalera.

Datos técnicos:

PERNOS ANCLADOS POR FRICCIÓN

Estos pernos representan el más reciente desarrollo en la técnica del anclado. Existen dos tipos:

Split set (Fig. 4)Swellex (Fig. 5)Para ambos sistemas, la resistencia a la fricción para el deslizamiento entre la roca y el acero en Swellex 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, estrictamente hablando solo el split set es realmente de fricción. En caso del swellex, combina la fuerza d e fricción sumada al m ecanismo 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, sin embargo, su uso en ingeniería civil es limitado, pero el Swellex está ganando campo en trabajos de túneles.

PARTES DE PERNOS ANCLADOS POR FRICCIÓN

Este tipo de pernos constan de:Tubo de acero plegadoPlancha de sujeción

EQUIPO PARA LA INS TALACIÓN DE PERNOS ANCLADOS CON RESINA

El equipo y las herramientas para la instalación de los cables son:Máquina perforadora y barrenosBomba neumática de agua a 300 bar con brazo de instalación de pernos swellex.Combo de 8 lbsEspadillaEscalera

Datos técnicos:

Ventajas:

Instalación rápida y simple, el soporte es inmediato después de su instalación. Puede ser usado en una variedad de condiciones de terreno.La instalación causa contracciones a lo largo del perno, esto tensiona efectivamente la plancha contra la superficie de la roca.

Desventajas:

Relativamente caro.Se requiere protección contra la corrosión si se usa en instalaciones permanentes.Se requiere una bomba para su instalación.

Los pernos de anclaje sirven p ara fortificar el techo y los lados de las labores mineras, donde existe peligro d e caída de rocas, también su uso es para asegurar fracturas grandes u otras áreas de roca insegura que no p udieron ser eliminadas mediante el tojeo.Los pernos de anclaje se usan también en otros trabajos mineros como ser soporte de cañerías para aire y agua, para soportar roldanas para scrapers y otros.Los pernos de anclaje 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 1.20 m de distancia.Los pernos de anclaje deben instalarse en una posición tal que le permita p asar 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 y a debe ser considerado el momento que se elija el lugar donde se colocará el perno.La inclinación d e 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).

CONCIDERACIONES IMPORTANTES

_Los pernos de anclaje deben ser colocados aproximadamente cada 1.20 m. _El perno de anclaje debe cruzar las fracturas_La plancha de acero debe estar, en lo posible, perpendicular al perno._Los pernos deben estar perpendiculares a las fracturas_En caso de existir dudas con relación al número, ubicación o inclinación de los pernos de anclaje consultar al supervisor.

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:- Colocar la plancha en la base del perno. (Fig. 8)- Enroscar, un poco y con la mano, la chaveta de expansión en el otro extremo del perno. (Fig. 9)- Insertar completamente el perno en el taladro, con la chaveta de expansión adelante, hasta el fondo del taladro. (Fig.10)- 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 y se cuña (asegura) contra la roca y queda firme.- Se puede enroscar el perno inicialmente manualmente con ayuda de una llave inglesa, pero al final se tiene que asegurar con la máquina aseguradora.- Conectar la máquina aseguradora con la manguera para aire comprimido.- Colocar la palanca en dirección de las agujas del reloj (a la derecha).- Colocar la boca de la máquina sobre la cabeza del perno. (Fig. 11)- Apretar el botón de arranque y el perno será asegurado.- Verificar si el perno está seguro.

FORTIFICACIÓN CON PERNOS DE ANCLAJE Y MALLA OLÍMPICA.

Este tipo de fortificación se usa en lugares donde existe el peligro de caída de rocas grandes y también pequeñas y se desea proteger al personal, equipos y herramientas. Adicionalmente a los pernos se agrega un elemento más que es la malla olímpica con lo que se logra mayor seguridad en la zona. (Fig. 12). Es frecuente también usar este tipo de fortificación en cuadros, sala de huinche, sala d e compresoras, sala de locomotoras, lamparerías, comedores, etc.

Un perno con una fuerza axial más grande puede mantener con facilidad este bloque en su lugar. El bloque se caerá si se usa un perno con una fuerza axial inferior.Según los investigadores la longitud de los pernos l deberá ser mas grande que la altura del domo que se separa del techo principal. Si la anchura del socavón (o túnel) es L, estas longitudes son las siguientes:

Techos fuertes l =

Techos débiles l =

Calculo de Espaciamiento de pernos

El espaciamiento de pernos esta relacionado muy estrechamente con la longitud de los mismos. Según las investigaciones fotoelásticas de Coates y Cochrane, el espaciamiento deberá ser como sigue:

en donde

b = espaciamiento de los pernos, [m]

L = anchura del socavón, [m]

l = longitud del perno, [m]

Rmax = capacidad máxima de soporte de carga del perno, [tn]

y = densidad de la roca [tn/m3]

Si la adherencia del perno es menor que 0,5 σmax del esfuerzo del acero, la separación se deberá tomar como la mitad de este valor.

Diámetro de los pernos

El diámetro de los pernos se calcula según la fatiga de fluencia del acero.

Rmax = σa F

R = = d2. σa

Rmax= capacidad máxima de soporte de carga del perno (en tensión), [kg]

R = Fuerza axial permitida en el perno, [kg]

n = factor de seguridad, de 2 a 4

σa = esfuerzo en el limite elástico (punto cedente) del acero, [kg/cm2]

F =área del perno, [cm2]

Densidad de pernos

El numero de pernos por metro cuadrado se llama “densidad”. Es una práctica usual que se tome este número como 1. En los techos fracturados e inadecuados se incrementa la densidad.