tecnologÍa del franqueo y mantenimiento de galerÍas

8/10/2019 TECNOLOGA DEL FRANQUEO Y MANTENIMIENTO DE GALERAS

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TECNOLOGIA DEL FRANQUEO DE GALERIAS

CAPITULO IPRESION DE LAS ROCAS

I.1 GENERALIDADES

El problema de la presin de las rocas hasta el momento noha sido resuelto totalmente, y una teora, sobre la presin de las

rocas, que sea reconocida en forma general y que permita resolverproblemas prcticos, en forma satisfactoria, no existe.

La dificultad de esto consiste en la variedad de laspropiedades fsico-mecnicas de las rocas, heterogeneidad yaisotropa, lo cual obliga a recurrir a suposiciones yesquemas artificiales que permitan obtener resultados aproximados.

La presin de las rocas son fuerzas que aparecen en el macizoque rodea a las galeras. La presin est ligada a laconcentracin de esfuerzos, con formacin, alrededor de lagalera, de un campo de deformaciones de carcter inelstico (zonade bajas tensiones), y con influencia mecnica de las rocas sobrelas fortificaciones. Despus de que las fortificaciones soncolocadas, se produce el trabajo conjunto del sistema: roca-fortificacin. Sinembargo es necesario no confundir el conceptopresin de las rocascon carga sobre la fortificacin, puesto quela carga puede ser ocasionada por mltiples factores a ms de lapresin de las rocas. Por consiguiente, la presin de las rocases la forma comn y ms extendida de carga sobre lasfortificaciones.

Con respecto a la seccin de la galera, la presin puede sersimtrica o asimtrica. El primer caso se observa cuando lasrocas yacen horizontalmente y el segundo caso, cuando el

buzamiento es inclinado o vertical o cuando ejercen influencia lostrabajos de arranque. Adems, en las galeras horizontales einclinadas, la presin de las rocas puede actuar desde el techo,costado y piso.

Para absorber la presin de las rocas se colocanfortificaciones, las cules tienen por objeto prever o disminuirla deformacin de las rocas y absorber la presin. La deformacinde las fortificaciones y la magnitud de los esfuerzos no debensobrepasar los lmites de resistencia del material de lasfortificaciones, solo en este caso la galera minera ser establecomo construccin.

La dependencia general, existente entre la magnitud de lapresin de las rocas y el tiempo que transcurre desde el momentoque se denuda la roca, hasta que se coloca la fortificacin se


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muestra en la Figura 1.1.

Fig. 1.1. Grfico de la presin de las rocas endependencia del tiempo .

Despus de franquearse la galera, comienza a asentarse eltecho y a formarse cierto fisuramiento que ocasiona el lento

desarrollo de la presin de las rocas sobre la fortificacin,(sector o-a) durante un perodo de tiempo T1; esta presin sedenomina primaria. Posteriormente, se forma la bveda deequilibrio natural, y cuando existen fortificaciones cedentes,fuera de sus lmites se forma la zona de sobreefuerzos, la cualdescarga a las rocas de la bveda de la accin del macizo, ypermite de esta manera la disminucin de la presin sobre lafortificacin. Este perodo T2 se denomina perodo de presinsecundaria (sector a-b). Cuando la formacin de la bveda deequilibrio natural termina y se forma la zona de sobre-esfurzos,entonces las rocas alcanzan su equilibrio y empujan a lasfortificaciones con cierta fuerza constante, o sea, tiene lugar lapresin estable (lnea b-c ) de las rocas sobre la fortificacin y

sta a su vez ejerce, en este caso, el correspondiente empuje dereaccin.

De la magnitud y carcter del empuje (reaccin de lafortificacin) dependen los parmetros de la bveda de equilibrionatural, campo de sobre-esfurzos y magnitud y direccin de lapresin de las rocas. Por consiguiente roca-fortificacin trabajanconjuntamente.

Si las fortificaciones colocadas son altamente resistentes yrgidas, que prcticamente detienen el proceso de fisuramiento deldenudamiento y la formacin de la bveda de equilibrio natural,

entonces la presin de las rocas en lo posterior se vuelveconstante o crece lentamente, pero es mucho ms grande por sumagnitud (sector a-d).


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Puesto que la magnitud Q2 > Q1, entonces cualquierfortificacin que se emplee debe poseer necesariamente cedencia.

Las investigaciones de la presin de las rocas en el sistemafortificacin-macizo demuestran lo siguiente:

La carga sobre la fortificacin y el rgimen de trabajo deellas, depende totalmente de determinados parmetros del sistemafortificacin-macizo; las fortificaciones rgidas con laprofundidad experimentan una alta y creciente carga (Fig. 2,curvas 1-5), puesto que soporta directamente la presin decontacto del macizo y participa en la formacin del estado deesfuerzos de deformacin ; si la fortificacin posee gran cedencia(15-2O cm), entonces alrededor de la galera se forma una zona dealtos esfuerzos (efecto de arco). Las rocas dentro de estas zonasse descargan y la magnitud de la carga sobre la fortificacin

decrece bruscamente, alcanzando solo 1O-15 T/m2 (ver Fig.1.2,curvas 6a y 6b), dependiendo muy poco de la profundidad a la quese encuentra la galera.

Fig. 1.2. Grfico de la intensidad de las cargas ver-

ticales sobre la fortificacin en dependencia de laprofundidad de la galera, para fortificaciones rgi-das(1-2-3-4-5) y cedentes (6a y 6b). La investigacin fueefectuada en modelos.

Cuando la cedencia es pequea (2-3cm), el sistemafortificacin-entibado trabaja con un rgimen igual al trabajofortificacin-macizo y la carga sobre la fortificacin depende dela profundidad y alcanza una gran magnitud (hasta 2O T/m2 a laprofundidad de 4OOm).

Si la galera atraviesa rocas de diferente resistencia,entonces en los contactos de las rocas dbiles con las resistentesla magnitud de la presin de las rocas crece.


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La magnitud de la presin de las rocas depende, tambin delmtodo de franqueo y de su velocidad de avance. Cuando se franqueacon voladuras y la velocidad de avance es pequea, la presin delas rocas crece; en los mtodos, que se excluye el sacudimiento de

las rocas de los costados (empleo de mquinas combinadas defranqueo o arranque hidrulico) y el franqueo se efecta a altasvelocidades de avance, la presin de las rocas decrece.

En las galeras de preparacin, que se encuentran en la zonade influencia de los trabajos de arranque, en el carcter ymagnitud de la presin de las rocas influye, tambin la distanciade las galeras a la frente de arranque, la velocidad de avance desta, mtodo del control del techo, construccin de lasfortificaciones, etc.

Investigando este problema, V.T. Davidiats, encontr endependencia de la magnitud y carcter de la presin de las rocas,tres zonas en un frontn de acarreo franqueado con adelanto altajo. El carcter de estas tres zonas se muestran en la Fig. 1.3,donde en el eje OL se indica la distancia hasta la frente dearranque y en el eje OQ, la magnitud de la presin de las rocas.

Fig. 1.3. Esquema de distribucin de las magnitudes de lapresin de las rocas sobre un frontn que se encuentra en la zonade influencia de los trabajos de arranque.

En la zona I, en la que el adelanto con respecto a la frentede arranque es de 1O-25 m, y adems la galera se resguarda conpilares, la presin no es mayor.

En la zona II, con longitud de 6O-12O m, tiene lugar unapresin muy elevada, en la que el mximo se encuentra a una


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distancia de la frente de 5-2O m, esto se debe a que en formacomplementaria, sobre la fortificacin, actan en esta zona lasrocas arrancadas o desplomadas del techo sobre el espacioexplotado.

En la zona III, el asentamiento de las rocas del techo en elespacio explotado se detiene, las rocas pasan al estado de reposo.En este caso la presin adquiere un valor constante, pero algomayor al de la zona I.

La longitud de cada zona y el carcter de la variacin de lapresin dependen de las propiedades fsico-mecnicas de las rocas,condiciones de orientacin de stas y del mtodo de trabajo en lafrente.

Sobre la magnitud de la presin de las rocas con el tiempo,

tambin influye la acuosidad de las rocas que rodeanla galera y tambin la atmsfera minera. En ciertos casos, andespus de largo tiempo las galeras conservan su estabilidad,sinembargo en lo sucesivo, si se introduce el agua en ellas, lapresin de las rocas crece bruscamente lo cual lleva a ladeformacin y destruccin de las fortificaciones y aldesprendimiento de las rocas de los costados e hinchamiento delpiso de la galera.

Este fenmeno, es ante todo caracterstico para las galerasfranqueadas en rocas arcillosas (arcillas, esquistos), las culespor efecto del agua se reblandecen e hinchan; sinembargo incluso

las rocas slidas y resistentes, cuando sobre ellas actan porlargo tiempo el agua y la atmsfera minera, son capaces dedestruirse y adquirir las propiedades de las rocas pulverulentas.

De lo expuesto, se puede deducir que sobre la magnitud de lapresin de las rocas influye los siguientes factores: profundidada la que se encuentra la galera, tiempo de existencia de uno uotro denudamiento; forma, dimensiones y tipo de galera;construccin de las fortificaciones, ngulo de buzamiento ycarcter de las rocas, influencia de los trabajos de arranque,sistemas de explotacin y otros factores.

Todos los factores antes indicados se los estudia en

diferentes hiptesis sobre la presin de las rocas. Algunas destas hiptesis se exponen a continuacin.

I.2. PRESION DE LAS ROCAS SOBRE LA GALERIAS HORIZONTALES

Hiptesis del Profesor M.M. Protodiakonov.- La esencia deesta hiptesis consiste en lo siguiente: si el techo es inestabley las paredes laterales y el piso son estables, entonces sobre lagalera franqueada se forma una bveda de equilibrio natural de

forma parablica (Fig.1.4,b), que absorbe las presiones de lasrocas suprayacentes, y sobre la fortificacin ejercen presin consu peso, solamente las rocas que se encuentran en el interior dela bveda. Por consiguiente, la presin de las rocas sobre 1m de


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galera ser igual a:

Q = So= 2/3.2ab. (T), o tambin

Q = 4/3 a.b. (T)y sobre un cuadro o arco de entibado.

Q = 4/3 a.b..LDonde:

So- Area de la seccin de la bveda de equilibrionatural, m2.

. - Peso volumtrico de las rocas del techo, T/m3.

a- Mitad del ancho de la galera en franqueo, m.

b- Altura de la bveda de desplome, m.

L- Distancia entre los cuadros o arcos delentibado, m.

La altura b, de la bveda de equilibrio natural de acuerdo aProtodiakonov se puede calcular con la frmula:

b = a / tg (1.1)

b = a / f

Donde:

- Angulo de friccin interna;

f - Coeficiente de resistencia de las rocas,

Cuando el tiempo de servicio de la galera es superior alao, el valor Q, el profesor M.M. Protodiakonov, recomiendaelevarlo al doble, o sea:

Qcal= 2Q = 8/3 a.b..L. (1.2)

La hiptesis del profesor M.M. Protodiakonov, es factible deemplearla para rocas sueltas y arenas hmedas; para rocastpicamente pulverulentas (arenas secas), rocas consolidadas yfisuradas la hiptesis no es aceptable ya que la zona de desplome(bveda), en estos casos, tiene totalmente otro carcter y otrasdimensiones.

Hiptesis del Profesor Tsimbareivich.-Esta hiptesis es eldesarrollo posterior de la hiptesis del Profesor M.MProtodiakonov. Tsimbareivich determin que la presin de las rocasdepende del estado en que stas se encuentren, dividindolas a lasrocas de los costados de las galeras en cuatro estados (Fig.1.4).


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En el primer estado, el techo, los costados y el piso sonestables (Fig.1.4,a), por lo mismo la presin de las rocas,

prcticamente no existe. Este caso se presenta, cuando las rocastienen un valor f > 9

Fig.1.4. Campos de bajos esfuerzos 1, y altos esfuerzos2,alrededor de una galera horizontal en dependencia delcarcter de las rocas del macizo que rodean a la galera: a-macizo estable; b- techo inestable costados y pisos estable; c-techo y costados inestables, piso estable; d- techo, costados ypiso inestables; 2a- ancho de a bveda de desplome; b- altura dela bveda de desplome.

En el segundo estado, el techo de la galera es inestable ylas rocas de los costados y piso son estables (Fig. 4b). En estecaso, de acuerdo con Tsimbareivich, en el techo de la galera seforma una zona de desplome con seccin semejante a un tringulo,de altura b= a/f. Por consiguiente, la magnitud de la presinejercida desde el techo, en este caso ser igual:

Q = 1/2 . 2a.b.. o tambin

Q = a.b.. T/m (1.3)

Esta ecuacin es justa, cuando la resistencia de las rocas esf > 4 - 9, y cuando la profundidad de la galera est dentro delos lmites normales y adems, no existe la influencia de lostrabajos de arranque.

En el tercer estado, el techo y los costados son inestables(Fig.1.5,a), y las rocas del piso estables. En este caso lalongitud de la zona de desplome ser mayor que el ancho de lagalera en franqueo y se determina con la expresin:

90 + e a = a + h ctg ----------- (1.4)1 2


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La altura de la bveda de desplome b1es igual:

90 + e a + h ctg ----------a a 21 1

b1 = ---- = ------ = ---------------------- , (1.5)

ft tg t tg t

Donde:h - Altura de la galera, m;

t - Angulo de friccin interna de las rocaslaterales.

e - Angulo de friccin interna de las rocas deltecho.

ft - Coeficiente de resistencia de las rocas deltecho.

La magnitud de la presin de las rocas desde el techo eneste caso es igual:

Q = 2ab1k, T (1.6)

Fig.1.5. Esquema para la determinacin de la presin de las rocas

de acuerdo con la hiptesis del profesor P.M. Tsimbareivich: a-con rocas inestables en el techo y costados de la galera; b- conrocas inestables en el techo, costados y piso de la galera.

La presin lateral Db, de acuerdo con P.M. Tsimbareivich, sedetermina como la presin activa sobre la pared de apoyo, ejercidapor parte del prisma m, que se desliza bajo un ngulo = (9O +

)/ 2 , producida por efecto de la carga superior deerocas de volumen n, de la zona de desplome.

La presin lateral se puede calcular con la frmula:

h 90 + t e Db = ------- (2ho + h) tg

2 --------- , T (1.7)


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* tag2 -----------] tg -----------2 2

90-n

ho tag4 ---------

2Xo= ----------------- , (1.12)

90- n1- tag4--------

2

b1 + h (1.13)t eho=-------------- ,

nDonde:

XO - Profundidad de propagacin del movimiento delas partculas del piso, m;

ho - Altura de carga, transferida al pesovolumtrico de las rocas del piso, m.

Si la galera se encuentra en la zona de influencia de lostrabajos de arranque, entonces N debe elevarse en 2-3 veces.

La presin desde el piso, en los trabajos subterrneos deexplotacin de carbn o de yacimientos minerales, se expresa enforma de deformaciones de las rocas y de penetracin de stas enel interior de la galera (hinchamiento del piso).

La penetracin de las rocas al interior de la galera por loregular, tiene lugar en medios arcillosos o esquisto-arcillosos ya profundidades de 4OO-5OO m, y de manera especial en las zonas,donde existe la influencia de los trabajos de arranque. Estefenmeno, tambin tiene lugar en rocas ms resistentes del tipoareno-arcillosas, esquistos arenosos e incluso en areniscas y engranito.

La penetracin de las rocas en las galeras entibadas confortificaciones abiertas se inicia desde el piso en forma delevantamientos o hinchamientos del piso, conjuntamente con lalnea frrea (fig.1.6,a). El levantamiento de las rocas del pisopermite el ulterior desarrollo de las deformaciones de las rocas,tanto de los costados como del techo de la galera; y la presincrece tanto que las fortificaciones pierden su estabilidad(fig.1.6,b,c) o se destruyen (fig.1.6,d,e,f).

La penetracin de las rocas y destruccin de las fortifi-caciones cerradas puede iniciarse desde el piso o desde el techo,

o sea, desde el lado de mayor presin de las rocas y menorresistencia de las fortificaciones.

Los estudios efectuados alrededor de este fenmeno, en la


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URSS, han determinado que los factores principales que permiten lapenetracin de las rocas y determinan su carcter son:

a) Elevada presin de empuje, que ejercen las rocaslaterales como resultado de la actividad de lostrabajos de arranque y Preparacin, y el aumento de laprofundidad de explotacin.

b) Humedecimiento de las rocas del piso, por lo quedisminuye la resistencia de las rocas, especialmentelas de tipo arcilloso.


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Fig.1.6. Deformaciones caractersticas de las galeras, comoresultado de la presin de las rocas (datos de A.I. Tseligorov).

La posible participacin del hinchamiento de la arcilla, enel fenmeno de penetracin de las rocas en las galeras, es de 2O-25%, o sea, que la principal causa del hinchamiento del piso de lagalera y de la presin desde el piso es la llamada presin deempuje (sobrepresin), de las rocas que se trasmite al piso de lagalera.

La hiptesis del Profesor P.M. Tsimbareivich, en gran medidarefleja el cuadro de fenmenos que se observa en la prctica, perol estudia los fenmenos en forma esttica; en la realidad losprocesos de desplazamiento de las rocas se producen en forma

ininterrumpida y se desarrollan en el tiempo. Adems no toma encuenta el tipo de construccin de las fortificaciones, profundidadde explotacin, influencia de los trabajos de arranque y otrosfactores. Por lo mismo su hiptesis se la puede aceptar, solamentecomo aproximada.

Hiptesis del Profesor A.A. Barisov.- En base a largasinvestigaciones experimentales, el autor de esta hiptesis, llega la conclusin que la forma y dimensiones de la zona de desplomeen el techo de la galera, dependen de las caractersticas fsico-mecnicas de las rocas, fisuramiento, profundidad de los trabajos,

tiempo y rigidez de las fortificaciones.

A.A. Barisov, sostiene que la bveda de desplome puedeformarse, solamente en rocas consolidadas, relativamente dbiles ycon bajo lmite de resistencia a la ruptura r, y siempre que lagalera tenga la suficiente amplia luz.

La altura de la bveda, en este caso, Barisov, recomiendalcular con la frmula:ca

3,4 a t

Bmax= ----------- , m (1.14)222 114 ta

Los experimentos de A.A. Barisov, efectuados en rocas tpica-mente pulverulentas (arena cuarzosa seca-voltil, gravilla de 3-15mm), muestran que, cuando se quita la solera se produce el derramedel medio pulverulento hasta llenar completamente la galera. Laformacin de una bveda estable de equilibrio natural en este casono se produce. (fig.1.7,a.).

Cuando se franquea galeras por rocas fracturadas o estra-

tificadas la redistribucin de las tensiones lleva al apareci-miento o abertura de fracturas, en primer lugar en la mitad de lagalera y en los costados.


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La ulterior abertura de las fracturas lleva al desprendimiento delas rocas, hasta la correspondiente altura, desplazndose endireccin normal a las fracturas de mayor debilidad, o de losplanos de esquistosidad. Sobre estos desprendimientos, ocasionadospor las fracturas de mayor debilidad se destacan ciertos cuerpos (semejantes a planchas o vigas), los cuales debido al rozamientoentre ellos, en los costados laterales, trabajan como arcos detres charnelas; estos por grupos o en series se destruyen hastaque el ltimo arco posea cierta reserva de capacidad de carga. Lazona de desplome, en este caso, tiene la forma de trapecio(fig.1.7,b), y la magnitud de la longitud lmite estable de luzl1, se determina con la expresin:

l1=

cos

04,0n

hicp , m (1.15)

Donde:

- Coeficiente de escurrimiento plstico porcompresin, igual a O,5-O,7.

hi- Distancia entre las fracturas en direccinnormal a las superficies del sistema de fracturasde mayor debilidad.

- Angulo de buzamiento de las fracturas de mayordebilidad.

n- Reserva de capacidad de carga, n 4.

cp - Lmite de resistencia de las rocas a lacompresin, T/m2;

- Peso volumtrico de las rocas del techo, T/m3.

De la figura 1.7.b, se deduce que bajo una longitud dada deluz l = 2a, la altura lmite de la zona de desplome, tomando encuenta el tiempo, se determina de las siguientes condiciones:

l cos - l1

b = --------------- tg , m (1.16)max 2

Donde:

- Angulo de inclinacin de la superficie dedesplome con respecto a los planos de esquis

tosidad, cuando f = 2 - 6 ; f 60 750


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Fig.1.7 Carcter de la formacin de la zona de desplome de acuerdocon A.A. Barisov: a- en rocas pulverulentas; b- en rocas

fracturadas.

Por consiguiente, para rocas fracturadas y esquistosas, cuando lasrocas de los costados y el piso de las galeras son estables, lamagnitud de la presin de las rocas es igual.

l + l1 Q = ---------- bmax, T/m (1.17)

2

La hiptesis del Profesor A. A. Barisov se la ha comprobadocon mltiples experimentos y es real para las siguientescondiciones:

no

---- 1/5 y hi 0,25 m ,l

Donde:

no- Frecuencia de fracturas, frac/m.


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Hiptesis del Profesor A. Labass, (Blgica).- Estahiptesis se fundamenta en la suposicin de que alrededor de lagalera, en rocas homogneas y duras, se forman tres zonas(fig.1.8,a):

I.- Zona de rocas dbiles o que han sufrido variacin, osea, zona de bajos esfuerzos.

II.- Zona de fuertes presiones, o anillo de grancapacidad, o sea, de altos esfuerzos.

III.- Zona no alterada del macizo.

Fig.1.8. Esquema para el clculo de la presin de las rocas deacuerdo con la hiptesis de: a- A. Labass; b- Ruppeneit K.V.

La presin de las rocas aparece como consecuencia delensanchamiento de las rocas de la zona I y su peso, y se determinapor la frmula:

Ro

P = (1 sen ) H (---) , T/m2) (1.18)


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r1

El radio del permetro de la zona de aplastamiento, o sea, delas deformaciones inelsticas, se determina de la expresin:

R1= Ro)1(

)1(2

0

+

kRS

kR

o

, m (1.19)

Donde:

K - Coeficiente de ensanchamiento de las rocas, igual a1, 1;

S - Deformacin lmite dada para las rocas o cedenciade la fortificacin, m.

De las frmulas (21) y (22), de acuerdo con la hiptesisresulta que con el aumento de la cedencia de la fortificacin lapresin de las rocas crece y con el aumento del radio r1 (zona deaplastamiento) disminuye, lo cual contradice la realidad.

Hiptesis del K.V. Ruppeneit. Esta hiptesis se basa en la teoramatemtica del equilibrio lmite y en la suposicin, que alrededorde la galera franqueada aparece un campo de deformaciones

inelsticas, por su forma semejante a una elipse algo aplastada enel sentido del eje menor (fig.1.9 ). La magnitud de la presin delas rocas depende de las condiciones de interaccin del sistemafortificacin presin de las rocas y se determina por la frmula:

1000 (+2)/2

2/P = R 0 (-------)/2 [(1-sen ) (

3H + C ctg )] - C ctg , T/m2(1.20)

4 Go S

2 sen

= ---------- , (1.21)

1 - sen

Donde:

Go - Mdulo de cizallamiento de las rocas. T/m2;

- Angulo de rozamiento interno, grad.

2 - Coeficiente de empuje lateral.

H - Profundidad desde la superficie. m;


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C - Coeficiente de cohesin de las rocas.

Cuando la fortificacin es rgida, por ejemplo fortificacin dehormign:

1-sen

P = -------- (kH + C ctg) - C ctg ,T/mtgce 2 (1.22)

1+sen

Donde:

K- Coeficiente de concentracin de las tensiones.

La hiptesis de K.V. Ruppeneit, toma en cuenta importantes

parmetros: profundidad de localizacin de la galera, tipo deconstruccin de las fortificaciones y propiedades fsico-mecnicasms importantes de las rocas, sin embargo no refleja elfisuramiento, la influencia de los trabajos de arranque, forma delas galeras, tiempo, buzamiento de los mantos y otros factores.

1.3. LA PRESION DE LAS ROCAS EN LAS GALERIAS VERTICALES

Hiptesis del Profesor M.M. Protodiakonov.- Partamos de lasuposicin que la galera vertical se franquea a travs de rocasque yacen horizontalmente. Supongamos, al mismo tiempo, que cadacapa de rocas se caracteriza por sus parmetros: peso volumtricoT/m3, coeficiente de resistencia fy potencia hn (fig.1.9,a).

De acuerdo con la hiptesis de Protodiakonov a las fortificacionesdel pique se trasmite la presin ejercida por el prisma dedeslizamiento ABC, a todo el permetro del pique.

Por lo tanto, en este caso, la fortificacin juega el papel depared de apoyo y la magnitud de la presin que se ejerce sobreellas es igual:

Hmd mdD =------- tg

2 90 -

2 22---------- (1.23)

La presin que se ejerce por unidad de superficie sobre el pique,a cualquier altura del mismo es:

dD 90 - md --- = P = H tgmd

dH 2

2 ---------- , (1.24)

Donde:med- peso volumtrico medio de las rocas a travs de

los cuales se franquea el pique vertical, T/m3.


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med- Angulo de resistencia interna de las rocas, atravs de los cuales se franquea el pique,grad.

De acuerdo con la frmula (26) se ve claramente que lapresin de las rocas, independientemente del carcter de las rocasfranqueadas, aumenta con la profundidad de los piques, o sea, quela presin sobre las fortificaciones se eleva continuamente(fig.1.9,b).

En la actualidad, las investigaciones realizados y laprctica no confirma esta situacin. Se ha establecido que con laprofundidad la presin llega a estabilizarse, sin embargo la

hiptesis, antes indicada, puede ser muy bien empleada para loscasos, cuando los piques atraviesan por rocas pulverulentas,sueltas e inestables, las cuales se caracterizan especficamentepor su ngulo de resistencia interna y en cambio su coeficiente decohesin es prcticamente cercano a cero.

Fig.1.9. Esquema para el clculo de la presin de las rocas deacuerdo a la hiptesis del profesor M.M. Protodiakonov.

El profesor V.G. Berezantsev,en base a la teora del equilibriolmite para los medios pulverulentos y con accin deautoacuamiento sobre las fortificaciones cilndricas, recomiendadeterminar la magnitud de la carga por la frmula:

90 - Tg ---------

2

P = Rfr -----------------------------------,) (1.25)

90 +

2tg tg -------- - 1

2Donde:


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Rfr - Radio del pique en franqueo.

- Peso volumtrico de las rocas pulverulentas.

- Angulo de resistencia interna de las rocaspulverulentas, grad.

El profesor P.M. Tsimbareivich sostiene que sobre lasfortificaciones de las galeras verticales ejercen presinsolamente aquellos sectores en los cuales se forman campos detensiones bajas o de deformaciones inelsticas (fig.1.1O).Laestabilidad de las paredes del pique recomienda determinar por laexpresin:

2

------- H


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hp- Potencia de las rocas inestables. m.

p- Angulo de rozamiento interno de las rocas

del sector inestable, grad.Ap- Coeficiente de empuje horizontal.

Fig.1.1O. Esquema para el clculo de la presin de las rocas deacuerdo con la hiptesis del Profesor. P.M.Tsimbareivich.

Si los valores P, calculados, los colocamos a escala endiagrama, entonces obtenemos el diagrama de presin de las rocas.

Se conocen una serie de otras hiptesis de la presin de lasrocas sobre las fortificaciones de piques verticales (Acad. G.N.Savina, Dr. en ciencias tcnicas K.V. Rupenneit, profesor Belaenkou otros), todas ellas basadas en las teoras de la elasticidad yplasticidad de las rocas y que consideran el trabajo conjunto delas fortificaciones y las rocas; sin embargo ellos llegan aresoluciones muy complejas, incmodas en la prctica parautilizarlas.

El mtodo de VNIMI se basa en mediciones directas naturales

de la presin sobre fortificaciones de galeras verticales,mediante fortificaciones dinamomtricas especiales o en modelos.


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Estas investigaciones muestran lo siguiente:

1.- Las rocas resistentes (estables), que conservan su estadoelstico, despus de construido el pique, no ejercenpresin sobre las fortificaciones.

2.- La altura Hpr, comenzando desde el punto donde las rocaspasan al estado inestable, se determina con la frmula:

n cp R'2

Hpr = ------ = ----- , (1.28)

K k Donde:

n - Coeficiente de debilitamiento estructural de

las rocas en el macizo, igual a O,3-1,O.

cp - Lmite de resistencia de las rocas en pedazo, ala comprensin uniaxial, T/m2.

R'

2 - Lmite de resistencia de las rocas, en elmacizo a la compresin uniaxial, T/m2.

K - Coeficiente de concentracin de tensiones enlas rocas, alrededor del permetro del pique,K=3 cuando z > 2O m; K = 6, cuando Z=O; K=6O,15, cuando Z=O 2O m (Z- alejamiento del la

seccin del pique de las conexiones con otras. galeras).

En los piques, franqueados con perforacin en grandessectores, el valor de K = 2.

3.- Las rocas pulverulentas, plsticas y tambin lasfrgiles, alteradas previamente o despus de laconstruccin del pique, ejercen presin sobre lasfortificaciones.

4.- La carga sobre las fortificaciones del pique se

distribuyen irregularmente tanto alrededor del permetrocomo en profundidad. La magnitud de la presin crece conel incremento de la profundidad y el ngulo de buzamientode los mantos.

5.- Las capas suprayacentes de rocas resistentes ejercen unainfluencia de descarga sobre las capas dbilessubyacentes, disminuyendo la presin sobre lasfortificaciones.

6.- La cedencia de las fortificaciones disminuye lairregularidad de la distribucin de las cargas y sumagnitud decrece en 2-2,5 veces.

7.- Los valores de las cargas medias sobre las fortificacionesde un pique con dimetro luz, Dluz = 6 m se indica en la


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tabla-1.

TABLA-1

Carga media Pn, T/m2

Fortificaciones dehormign monoltico ode dovelas enesquemas de franqueoen serie o paralelocon ngulos de

buzamiento de:

Fortificacionesmonolticas de hormignde fraguado rpido enesquemas conjuntos defranqueo y encofradosdesarmables en ngulos

de buzamiento de:

Profundidad

Hasta30

Ms de 30 Hasta 30 Ms de 30

Hasta 400

400-800

800-1200

5

7

8

6

9

10

7

11

13

9

13

15

La carga media radial P para piques con dimetro luz Dlz 6 m,se eleva o disminuye respectivamente, en comparacin con la cargaPn, en 5% por cada metro de aumento del dimetro del pique:

Dc P = [1 + 0,1 ( ---- - 3)] (1.29)

2

En los lugares de las junturas (hasta 2O m ms arriba o msabajo) la carga media Pc, sobre las fortificaciones se toma 1,5veces ms, que en los sectores prolongados lisos del pique, o sea.

Pc = 1,5 P, T/m2. (1.30)

En el franqueo del pique por rocas acuosas con presin q/g,la carga media total Pn ser/igual.

Pn = P + q/g, T/m2. (1.31)

Cuando el espacio posterior de los dovelas se tapona bajopresin, entonces la carga media sobre las fortificaciones se tomaigual a la presin mxima empleada para la inyeccin de lassubstancias taponantes. La presin de las substancias no debensuperar la capacidad de carga de la fortificacin.

Cuando se atraviesa con piques rocas fisuradas y arcillosaslavadas con agua antes o despus del entibado del pique, y tambinmantos de carbn la carga media se duplica en comparacin con la


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carga inicial Pn y su correccin.

La carga mxima calculada Pmx sobre la fortificacin delpique se determina por la carga media P, tomando en cuenta elcoeficiente de irregularidad de distribucin de la carga v.alrededor del permetro de la fortificacin.

Pmax = P (1 + 3v), T/m2. (1.32)

El valor v, se toma de acuerdo a la tabla 2.

TABLA 2.2.

Valor de V, de acuerdo al

sector del piqueientoAngulo de buzam Rad, (grad)

A distanciade ms de20m de lajunta.

A distancia demenos de 20m dela junta.

0/18(010)

/18/6 (1030)

>/6 (>30 )

0,4

0,6

0,7

0,8

0,8

0,9

Cuando existe presencia de presin hidrosttica del agua elcoeficiente de irregularidad v, se multiplica por lamagnitud P /(p + q). Cuando el espacio posterior de las dovelas setapona bajo presin, el coeficiente v se disminuye en 25%.

1.4. LA PRESION DE LAS ROCAS EN LAS GALERIAS INCLINADAS

En una galera franqueada con ngulo con respecto alhorizonte (fig.1.11), la presin de las rocas Q, sobre el techo sepuede descomponer en dos fuerzas:

N = Q cos , T (1.33)

Fig.1.11.Esquema para el clculo de la presin de las rocas engaleras inclinadas.


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N - Componente normal con respecto al plano del techo dela galera.

T = Q sen , T (1.34)T Fuerza tangencial o sea componente paralela al techo.

Los valores de Q, se determinan por las frmulas ( 1-2).

La fuerza normal N, ejerce presin sobre las fortificacionescolocadas en forma perpendicular al eje longitudinal de lagalera.

La fuerza tangencial T, empuja a la fortificacin en elsentido de buzamiento de la galera con lo cual ocasiona en loselementos de la fortificacin, tensiones complementarias. Con el

incremento de la inclinacin de la galera, aumenta la magnitud dela fuerza tangencial.

La presin de las rocas en las galeras inclinadas, serecomienda calcular en la frmula siguiente:

Para galeras con inclinacin = O 45, por la frmula (37)

Para galeras con inclinacin = 45 - 7 por la frmula:

N= Q cos 45 (1.35)

Cuando el ngulo de inclinacin >70, por las frmulas delpargrafo 1.3.

1.5. APARECIMIENTO DE LA PRESION DE LAS ROCASA GRANDES PROFUNDIDADES

Con el incremento de la profundidad H, la tensin de lasrocas del macizo no altera H crece lo que condiciona el aumentode la tensin K H alrededor de las galeras en franqueo y ocasionael hinchamiento de las rocas laterales, golpes rocosos,


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Fig.1.12. Expulsin repentina de rocas en la mina Sheglovskaia-Glubokaia. a- antes de la expulsin; b- despus de la expulsin.

Disparos de rocas y cuando existe gas en las rocas,

expulsiones repentinas de rocas, carbn y gas.

En galeras franqueadas a gran profundidad (ms de 7OOmetros) en rocas no resistentes, frecuentemente se produce elhinchamiento de las rocas del piso y costados, lo cual ocasiona ladeformacin o destruccin de las fortificaciones.

Si las galeras se franquean en rocas resistentes y frgiles,entonces puede producirse el rpido pase, de las rocas que rodeanla galera, del estado de tensin triaxial al estado de tensinbiaxial; en este caso se libera una gran cantidad de energaacompaada con el desprendimiento de pedazos de roca, o sea, se

produce el golpe rocoso; y, cuando las dimensiones de los pedazosque se desprenden no son mayores se produce el disparo rocoso.Cuanto mayor es la diferencia entre K H y R"2, tanto ms grandees la intensidad del golpe rocoso.

Fenmenos anlogos se producen cuando la carga sobre lospilares de seguridad es demasiada excesiva, por esto a grandesprofundidades los pilares de seguridad no se emplean.

La posible causa, de las expulsiones repentinas de roca,carbn y gas, sea el cambio brusco del estado de tensin de lasrocas del macizo no alterado, o sea, el aparecimiento de campos debajas tensiones en el proceso de franqueo de las galeras o

durante la explotacin del carbn.

El gas (gas carbnico o metano) en el carbn se encuentra en


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estado de absorcin, por lo que su contenido alcanza hasta 1O-3Om3por tonelada de carbn, bajo presin de hasta 13O at. Cuando lagalera o el tajo con la zona de bajas presiones llega al sitio demayor concentracin de gas entonces el estado tenso del carbnpasa de triaxial a biaxial, aparecen fisuras que permiten quesalga el gas hacia la galeras. El gas comienza a desprenderseviolentamente e ingresa a la galera, llevando consigo ydesmenuzando una gran cantidad de carbn o rocas (fig.1.12).

Los fenmenos estudiados, generalmente presentes a grandesprofundidades, tambin se observan a profundidades de 2OO-25O m.Las zonas con defectos geolgicos (fallas, estrechamientos de losmantos, etc), condicionan la concentracin de grandes tensiones enlas rocas que rodean a la galera.

CION Y MEDICION DE LA1.6. METODOS DE INVESTIGA PRESION DE LAS ROCAS

El conocimiento de la magnitud de la presin, desplazamientoy deformacin de las rocas es indispensable para la resolucin delos problemas ligados con el entibado, sostenimiento de lasgaleras y control de la presin de las rocas.

Los mtodos que se emplean en la investigacin de la presinde las rocas y los factores que influyen en ella son lossiguientes: analtico, de laboratorio y experimental industrial.

El mtodo analtico se basa en la teora de la elasticidad,plasticidad y mecnica de los cuerpos pulverulentos y tiene comofinalidad establecer la dependencia entre la posible presin delas rocas y los factores minero-geolgicos y de produccin.

El mtodo analtico se basa en las teoras de la elasticidad,plasticidad y mecnica de los cuerpos pulverulentos y tiene comofinalidad establecer dependencias matemticas entre la presinesperada de las rocas y los factores minero-geolgicos y de laproduccin.

Los mtodos de investigacin de laboratorio se basan en la

modelacin, en las condiciones de laboratorio, de los procesos quese producen en el macizo rocoso de las galeras subterrneas.Entre estos mtodos tenemos: mtodo de modelacin simple,modelacin centrfuga con ayuda de materiales equivalentes ymtodos pticos.

Los mtodos de modelacin simple se basan en la semejanzageomtrica pero sin observar rgidamente las leyes de la semejanzamecnica, por esto los resultados obtenidos son esencialmente deorientacin.

Los mtodos de modelacin centrfuga se basan en la

conservacin de las semejanzas geomtricas y mecnicas. Paraasegurar la semejanza mecnica es indispensable elevar el pesovolumtrico del material del modelo en la misma relacin en la quese encuentra las dimensiones lineales de natura y el modelo, lo


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cual se alcanza cargando el modelo con fuerza de inercia de unrotor en movimiento centrfugo.

El mtodo de los materiales equivalentes se basan enreemplazar, en el modelo, las rocas naturales por materialesartificiales con propiedades mecnicas y tensiones proporcionalescon la escala de modelacin. La correlacin entre las propiedadesmecnicas de las rocas y los materiales equivalentes se determinande acuerdo con las reglas generales de las teoras de la semejanzay dimensional, o sea:

E N N N M = -----= -----= ---- (1.36)

M EM MDonde:

M - Escala de tensiones.

L - Escala geomtrica del modelo.

N, EN,N - Lmite de resistencia, mdulo de elasticidad y pesovolumtrico correspondiente del material natural.

M, EM, M- Idem del material equivalente en el modelo.

El mtodo ptico se basa en la ley de la proporcionalidaddirecta entre las tensiones y las deformaciones y en laspropiedades de los cuerpos isotpicos transparentes de trans-formarse en cuerpos pticos activos de doble refraccin bajo cargacon planos de polarizacin que coinciden con la direccin de lastensiones normales principales.

La medicin del aparecimiento de la presin de las rocas yla carga sobre las fortificaciones de las galeras se efectamediante mtodos directos o mediciones directas. Los primeros sebasan en el clculo de la magnitud de la carga sobre lafortificacin a travs de las mediciones de las deformaciones porcomprensin o flexin de los elementos de las fortificaciones.

Para la medicin directa de la carga sobre lasfortificaciones se emplean aparatos de medicin (dinammetros),fortificaciones dinamomtricas y postes.

Por el principio de funcionamiento los dinammetros puedenser:

Mecnicos (mecnicos de brazo, de esferas y otros)Hidralicos.

Elctricos (restatos con captadores de alambre fino de

resistencia, pie piezocaptadores, captadores inductivos, decuerda, condensadores y otros tipos de captadores) .

Para establecer la dependencia entre la carga y la indicacin


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de los aparatos, todos los dinammetros, previamente soncalibrados en prensa y en ello se establece la curva de calibrado"carga-indicacin del dinammetro".

En los dinammetros mecnicos la carga se trasmite a los elementossensibles (membrana, cilindro y otros), cuyas deformacioneselsticas se registran en indicadores de tipo reloj o con cabezasespeciales autorastreadoras.

El lmite de las mediciones de las cargas en estos dina-mmetros, llega a 5O-6O T, y la exactitud de la indicacin es deO,1 a 1, O T.

El trabajo de los postes mecnicos dinamomtricos MSD-2 VUGI(fig. a,b) se basan en el principio de flexin de la membranametlica 1, que se encuentra en el cuerpo 2.

La deformacin de la membrana se registra con el indicador 3de tipo de reloj, cuyo brazo 4 se coloca en el orificio superiorde la placa 5 del dinammetro, de tal manera que el extremoinferior de la barra de medicin 6 se apoye en la palanca de lamembrana. En este caso la indicacin del indicador en la esfera 7corresponder a la deformacin de la membrana del dinammetro y lacarga que sobre ella acta, cuya magnitud se determina de acuerdocon la curva de calibrado. Los dinammetros hidrulicos se basanen la propiedad de incomprensibilidad de los lquidos (glicerina,aceite) o mercurio bajo la accin de la carga.

El principio de funcionamiento se basa en que bajo la accinde la carga los elementos que se deforman condicionan el empujedel lquido y su levantamiento hacia arriba por el tubo demedicin. En las condiciones de la mina se emplean posteshidrulicos dinamomtricos tipos GSD-3, GSD-6 y otros.

En los dinammetros elctricos los elementos sensibles estnconstituidos por los correspondientes tipos de captadores, quevaran sus parmetros (resistencia, induccin, frecuencia deoscilacin, capacidad elctrica, etc, en funcin de la carga.

El dinammetro elctrico UNIMI (fig.1.13, c), consta: deapoyo 8, placa superior 9, cilindro fofo 1O, que se apoya en la

placa 11 por medio de una charnela esfrica. Las placas superior einferior estn unidas entre s por tres resortes 12. En elinterior de la superficie del cilindro 1O estn pegados cuatrocaptadores de alambre fino. Cuando se deforman las paredes delcilindro la variacin de la resistencia de los captadoreselctricos se marcan en el galvanmetro 13. Por medio de estasindicaciones y la cueva de calibrado se determina la magnitud dela carga sobre la fortificacin.


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Fig.1.13. Aparatos de medicin para la determinacin de lacarga sobre la fortificacin. a- dinammetros vertical mecnicoMSD-2 VUGI; b- Indicador tipo reloj; c- Instrumento de medicinVNIMI con captadores de alambre fino.

Para medir la carga sobre la fortificacin los dinammetrosse colocan sobre la fortificacin y las rocas en cada cuadro oarco de control.

La serie de dinammetro, colocados alrededor del permetro dela galera, permiten determinar la magnitud y carcter de la

presin de las rocas.

Para la determinacin de la distribucin de la cargaalrededor del permetro de la fortificacin se emplean forti-ficaciones dinamomtricas Kuz Niishagtostroia tipo DTK-4 (fig.1.14), la cual se arma de dovelas separadas.

Cada dovela dinamomtrica consta de un elemento comn de lafortificacin 1, escudo metlico 2, empaque de caucho 3 paracubrir el vaco entre los escudos, resortes tornillos 4 y losindicadores 5 de tipo reloj. La presin de las rocas absorben losescudos (con sus superficies) y los transmiten a los resorte, cuyo

asentamiento es directamente proporcional a la carga absorbida yse registra enlos indicadores de tipo reloj.


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tecnologÍa del franqueo y mantenimiento de galerÍas

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