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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA Escuela Académica Profesional de Ingeniería de Minas

PERNOS DE ANCLAJE CON RESINA

CURSO TUNELERIA DOCENTE: Ing° Martin Flores ALUMNO: Hidalgo Zelaya Edwin Manuel CÓDIGO: 14160041

INDICE 1. INTRODUCCION ................................................................................................................................... 4 2.

SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO ............................................................................................................ 5 2.1 Sistema de sostenimiento Pasivo ....................................................................................................... 5 2.2 Sistema de sostenimiento Activo ....................................................................................................... 6

3.

Pernos de anclaje ................................................................................................................................. 6

4.

Principios de sostenimiento de los pernos .......................................................................................... 7 4.1 Efecto cuña ......................................................................................................................................... 7 4.2 Efecto Viga ......................................................................................................................................... 8 4.3 Efecto Columna .................................................................................................................................. 8 4.4 Efecto Arco ......................................................................................................................................... 9

5.

Cómo funcionan los pernos ................................................................................................................. 9

6.

SISTEMAS DE ANCLAJE ....................................................................................................................... 12

7.

PERNOS DE VARILLA CEMENTADOS O CON RESINA .......................................................................... 12 7.1 BARRA HELICOIDAL VS. BARRA CORRUGADA .................................................................................. 12 7.2 ANCLAJES A BASE DE RESINA. .......................................................................................................... 13 7.3 ANCLAJES A BASE DE CEMENTO....................................................................................................... 14

8.

CONSIDERACIONES IMPORTANTES PARA SU UTILIZACIÓN: .............................................................. 15

9.

PROCEDIMIENTOS DE INSTALACIÓN ................................................................................................. 16

10.

PULL TEST ...................................................................................................................................... 18

10.1 MAQUINA DE ARRANQUE DE PERNOS........................................................................................... 18 10.1.1 UNIDAD DE PRESIÓN .............................................................................................................. 18 10.1.2 UNIDAD DE LECTURA DE MEDICIONES ................................................................................... 18 10.1.3 ACCESORIOS............................................................................................................................ 19 10.2 Partes ............................................................................................................................................. 19 Prueba de tracción ................................................................................................................................. 21 10.3 PERNOS HECHO DE LA BARRA DE CONSTRUCCIÓN (BC) ................................................................ 22 10.4 PRUEBAS DE ARRANQUE DE PERNOS HECHO DE BARRA DE CONSTRUCCIÓN LAS PAUTAS IMPORTANTESINSTALACIÓN CON LECHADA DE CEMENTO ................................................................... 23 10.5 INSTALACIÓN CON CARTUCHOS DE CEMENTO .............................................................................. 23 10.5.1 INSTALACIÓN CON CARTUCHOS DE RESINA Y CARTUCHOS DE CEMENTO............................. 23 10.6 PERNOS HECHO DE LA BARRA HELICOIDAL (BH) ............................................................................ 24 11.

Ensayo Pull test - Ingeniero Emiliano Mauro Giraldo Paredez ...................................................... 25

11.1 TIEMPOS DE INSTALACION DE LOS PERNOS Y PRUEBAS DEPULL TEST (28 Y 29 DE MARZO): ..... 25 11.2 CAPACIDADDE SOSTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DEPERNOS EN FUNCION DE SUS LONGITUDES EFECTIVAS .............................................................................................................................................. 26 11.3 CAPACIDAD DE ANCLAJE DE PERNOS DE ROCA EN MINAS PERUANAS ......................................... 27 12.

Ejemplos de aplicaciones internacionales de apernado ............................................................... 28

13.

Bibliografía .................................................................................................................................... 32

1. INTRODUCCION Cuando se realiza una apertura en una roca, es inevitable que los estratos colindantes pierdan su estabilidad, pero existen varios métodos de soporte para reforzarlos. El propósito principal del soporte es activar, conservar y aumentar la resistencia inherente (a la tensión y el cizallamiento) de los estratos y mantener su capacidad de sostenimiento de carga. En este caso, el soporte se define como el método que proporciona sujeción a la superficie de la masa rocosa, principalmente por medio de la instalación de elementos estructurales en la superficie: puntales de madera, arcos metálicos, llaves de madera, mallas y material pulverizado, así como gunitado. A estos se les denomina métodos ‘pasivos’ de soporte ya que dependen de la masa rocosa en movimiento para desarrollar su resistencia a la carga. Por el contrario, se considera que el refuerzo incluye métodos que modifican el comportamiento interno de la masa rocosa por medio de la instalación de elementos estructurales dentro de ella. Estos métodos de refuerzo se denominan ‘métodos activos’ de soporte. Estos incluyen pernos de anclaje puntualmente tensados, pernos de fricción (split sets) y pernos consolidados con resina. Estos elementos de refuerzo activos están destinados a reaccionar ante el movimiento de la masa rocosa, desarrollar una fuerza de refuerzo y transferir esta fuerza de vuelta a la masa rocosa. Esto contrarresta la fuerza motriz y puede que se alcance el equilibrio, si el total de la resistencia movilizada dentro de masa rocosa es al menos igual a la fuerza motriz disponible. Los bulones modifican el comportamiento de la roca y de los estratos con los principios del refuerzo. Los pernos actúan de forma muy similar al hormigón armado con acero. Los pernos anclados con resina ofrecen ventajas frente a los pernos con amarre por fricción al proporcionar una mayor fuerza de adherencia en situaciones donde se encuentran rocas intensamente fracturadas o débiles. También tienen un rendimiento más fiable que los pernos por fricción si están sujetos a vibraciones. Los pernos anclados con resina proporcionan una fuerza de anclaje por metro lineal mucho mayor que los pernos de fricción (split sets). Los pernos de fricción tienden a fallar si están sometidos a cizallamiento. Los bulones, que mejor se adaptan a aplicaciones de anclados con resina, poseen una superficie exterior áspera o corrugada para incrementar la eficacia de la unión, la resistencia de fricción, la mejora de la transferencia de las cargas y la capacidad de mezcla de las resinas. Hay varios tipos de bulones disponibles y su elección dependerá de una serie de factores, como:  la altura del túnel o galería  el tipo de roca;  la presencia de laminaciones, roturas y fracturas;  la dureza y la rigidez de la roca;  el emplazamiento de los estratos competentes;  el equipo de la instalación;  el tipo de anclaje, de carga puntual o de consolidación completa;  el apoyo primario,  los trabajos de recuperación;  la expectativa de vida de los túneles o excavaciones;  la presencia de agua - acción corrosiva. Es necesario tener en cuenta todos estos factores cuando se escoje el tipo de bulonaje.

Esencialmente, el sostenimiento hace que las piezas o bloques rocosos interactúen y se entrelacen formando una masa rocosa estable alrededor de la excavación. Como en una excavación grande hay más estructura de masa rocosa que en una excavación pequeña, habrá mayor oportunidad de falla en las excavaciones grandes y por tanto mayor necesidad de utilizar el sostenimiento. Es importante que todo el personal de la mina esté en capacidad de reconocer los diferentes tipos de sostenimiento, el porqué de su utilización, los procedimientos de su instalación y darse cuenta cuando es necesario hacer ajustes y cambios en los sistemas de sostenimiento para beneficiar a todo el personal de la mina. se entiende por sostenimiento el conjunto de elementos que se colocan a la excavación subterránea con el fin contribuir a su estabilización a:  TUNELES  GALERIAS  TAJEOS  CORTADAS  INCLINADOS Refuerzo de roca generalmente consisten en sistemas de empernado o cables que proveen un refuerzo a la masa rocosa aumentando la resistencia friccional entre bloques que la componen. Soporte, consistente en cerchas de acero o concreto, shotcrete o cuadros de madera, son diseñados para estabilizar la masa rocosa mediante el control del colapso progresivo o deformación de la misma. En términos simples se dice que el Refuerzo en un sistema “activo” mientras que el soporte es un “pasivo”.

2. SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO 2.1 Sistema de sostenimiento Pasivo El soporte estabiliza la masa rocosa mediante el control del colapso progresivo o deformación de la misma. VENTAJAS  Controlan desprendimientos de la superficie de la roca.  Forman una superficie más amplia para distribuir cargas. ELEMENTOS SOPORTE:  SHOTCRETE  GATAS MECANICAS  CUADROS DE MADERA  PAQUETES SUDAFRICANOS (WOOD PACK SIMPLE) MAS JACK PACK  MALLA ELECTROSOLDADA  CIMBRAS METALICAS

2.2 Sistema de sostenimiento Activo Estos incluyen pernos de anclaje puntualmente tensados, pernos de fricción (split sets) y pernos consolidados con resina. Estos elementos de refuerzo activos están destinados a reaccionar ante el movimiento de la masa rocosa, desarrollar una fuerza de refuerzo y transferir esta fuerza de vuelta a la masa rocosa. ELEMENTOS DE REFUERZO:  SPLIT SETS  PERNOS HELICOIDALES  PERNOS HYDRABOLT VENTAJAS:  Aumentan el tamaño efectivo de los bloques.  Forman un arco compresivo por encima de la corona.  Suspenden bloques sueltos “Trabajan dentro de la roca”

3. Pernos de anclaje Técnica sostenimiento que en esencia, consiste en anclar en el interior de la roca por medio de un taladro una barra de material resistente (fierro corrugado, tubo, cable, etc.) que aporte una resistencia a la tracción, confinando el macizo rocoso, es decir impiden, atenúan o neutralizan el fenómeno de descompresión de la roca en torno a la excavación, evitando la caída de rocas. Aprovechan las características resistentes propias de la roca facilitando así su sostenimiento. Los anclajes colaboran a la estabilidad del talud de dos formas: a) Proporcionando una fuerza contraria al movimiento de la masa deslizante. b) Incrementando las tensiones normales en la superficie de rotura potencial, aumentando así la resistencia al deslizamiento en dicha superficie. Los sistemas de reforzamiento con pernos de roca minimizan las deformaciones inducidas por el peso muerto de la roca aflojada, así como también aquellas inducidas por la redistribución de los esfuerzos en la roca circundante a la excavación. En general, el principio de su funcionamiento es estabilizar los bloques rocosos y/o las deformaciones de la superficie de la excavación, restringiendo los desplazamientos relativos de los bloques de roca adyacentes.

4. Principios de sostenimiento de los pernos 4.1 Efecto cuña En roca masiva o levemente fracturada y en rocas fracturadas, el papel principal de los pernos de roca es el control de la estabilidad de los bloques y cuñas rocosas potencialmente inestables. Esto es lo que se llama también el “EFECTO CUÑA”. Cuando los bloques o cuñas son aislados solo amerita estabilizarlas con pernos aislados, a esto es lo que se denomina también, sostenimiento aislado o esporádico, delo contrario lo usual será el sostenimiento sistemático en todo el techo y/o paredes de la excavación, según sea requerido

4.2 Efecto Viga En roca estratificada sub-horizontal y roca no estratificada con un sistema de fracturas dominantes sub-horizontales, los pernos ayudan a minimizar la deflexión del techo (pandeamiento). Esto es lo que se llama también el “EFECTO VIGA”. Este concepto puede ser extendido al caso de paredes paralelas a estratos o discontinuidades subverticales, generando el denominado “efecto columna”, para minimizar el pandeo de los bloques tabulares.

4.3 Efecto Columna El concepto del “efecto viga” puede se extendido al caso de paredes paralelas a estratos o discontinuidades sub-verticales (fracturas sub paralelas a la labor), generando el denominado “EFECTO COLUMNA”, para minimizar el pandeo de los bloques tabulares.

4.4 Efecto Arco En roca fracturada e intensamente fracturada y/o débil, los pernos confieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalados en forma radial, los pernos en conjunto forman un arco rocoso que trabaja a compresión denominado “efecto arco”, el mismo que da estabilidad a la excavación.

5. Cómo funcionan los pernos Los bulones pueden modificar el comportamiento del terreno y prevenir o limitar la rotura de la roca. Esto se consigue transfiriendo la carga de la parte inestable de la masa rocosa al bulón propiamente dicho y a continuación a la roca estable. La fuerza de unión entre el anclaje y la roca es una medida de la eficacia de este mecanismo de transferencia de carga. Para todos los tipos de pernos de anclaje mecánico, fricción o inyectados, la unión es el resultado de combinar la fricción y el engranaje en los puntos de contacto bulón/roca o roca/inyección e inyección/roca. La adhesión no juega un papel significativo en la unión y es erróneo pensar que los pernos unidos con resina están ‘pegados’ a la roca. El cizallamiento en la capa de resina producida por la roca o el desplazamiento del perno genera grandes tensiones radiales que actúan por los puntos de contacto y maximizan la resistencia de fricción. Tanto el diseño del perfil del perno y las marcas de la pared del barreno como las propiedades de la resina son factores importantes en la generación de esta resistencia de fricción. En el caso de sistemas de carga puntual, la fuerza de unión se puede medir tirando del anclaje.

Para sistemas de consolidación completa, se utiliza la prueba de tracción de la encapsulación corta. Transferencia de cargas Se puede considerar que la transferencia de cargas entre el perno y la roca se produce de tres formas: a) Suspensión o anclaje de bloque b) Resistencia a los esfuerzos de cizallamiento c) Resistencia a los esfuerzos axiales. a) Suspensión o anclaje de bloque La suspensión de una capa débil fijándola con bulones a una capa superior más fuerte es el concepto inicial para el que se desarrollaron los bulones de anclaje mecánico. En este caso, la carga suspendida impuesta sobre la placa final se transfiere a la roca estable de arriba por medio del perno. Esta sencilla situación de apoyo es, sin embargo, poco común en las aplicaciones de bulonado actuales. Un principio similar se aplica donde se apoyan bloques o cuñas sueltos de una masa rocosa muy agrietada fijándolos entre sí y añadiendo bloques estabilizadores. b) Resistencia a los esfuerzos de cizallamiento Los bulones instalados a través de un posible plano de cizallamiento resistirán directamente la deformación del cizallamiento. Los bulones parcialmente encapsulados permiten cierto desplazamiento antes de que empiece a formarse la resistencia. Los que están completamente rellenos son los más eficaces para este uso porque proporcionan una resistencia inmediata. La compresión de la roca y la resina debidos a tensiones localizadas y transferencia de cargas se transmiten doblando el perno lo que también genera una carga axial. Cuanto mayor y más firme sea la unión, mayor será la resistencia al desplazamiento por cizallamiento (figura 3). La anulación directa del cizallamiento es eficaz para prevenir movimientos de deslizamiento en las grietas, etc. pero menos útil a la hora de limitar las roturas por cizallamiento a través del material rocoso. En este último caso, la influencia del perno se limita a sus proximidades inmediatas. c) Resistencia a los esfuerzos axiales Los bulones instalados a través de un posible plano de cizallamiento también proporcionan una resistencia axial al resistir la dilatación lateral asociada a los movimientos de cizallamiento (figura 4). De nuevo, los mejores son los tipos totalmente rellenos con resina. La transferencia de carga resulta de una carga de tensión axial desarrollada en el perno centrado en la posición del plano de cizallamiento. Esto actúa a modo

de carga de fijación, aumentando la fuerza normal (y como consecuencia la fuerza de deslizamiento) a lo largo del plano de cizallamiento, limitando la rotura por corte. Cuanto mayor y más firme sea la unión, más eficaz será la acción. Para tipos de consolidación parcial, toda la longitud libre del perno se puede estirar en respuesta a la dilatación lateral de modo que la carga de fijación es mucho menor. Sin embargo, muchos tipos de consolidación parcial están pretensados en la instalación, lo que da lugar a una situación más compleja que se expondrá más adelante.

6. SISTEMAS DE ANCLAJE El primer grupo, resisten los esfuerzos de tensión por pegado del perno a las paredes del taladro con el cemento o resina utilizada. En el segundo grupo, los pernos resisten las cargas de tensionamiento por fuerzas friccionantes al contacto entre la roca y el perno.

También se pueden clasificar según su vida útil en: Anclajes provisionales o temporales (vida útil menor de dos años) y anclajes permanentes (tiempo de servicio es superior a los dos años).

7. PERNOS DE VARILLA CEMENTADOS O CON RESINA Consiste en una varilla de fierro o acero, con un extremo biselado, que es confinado dentro del taladro por medio de cemento (en cartuchos o inyectados), resina (en cartuchos) o resina y cemento. El anclaje entre la varilla y la roca es proporcionado a lo largo de la longitud completa del elemento de refuerzo, por tres mecanismos: adhesión química, fricción y fijación, siendo los dos últimos mecanismos los de mayor importancia, puesto que la eficacia de estos pernos está en función de la adherencia entre el fierro y la roca proporcionada por el cementante, que a su vez cumple una función de protección contra la corrosión, aumentando la vida útil del perno. De acuerdo con esta función, en presencia de agua, particularmente en agua ácida, el agente cementante recomendado será la resina, en condiciones de ausencia de agua será el cemento. 7.1 BARRA HELICOIDAL VS. BARRA CORRUGADA Dentro de este tipo de pernos, los de mayor utilización en el país son: la varilla de fierro corrugado, generalmente de 20 mm de diámetro y la barra helicoidal de22 mm de diámetro, con longitudes variables (de 5' a 12'). La primera es ya un tipo de perno convencional en nuestro medio, la segunda es de reciente introducción en la industria

minera. La barra helicoidal, tiene la forma de una rosca continua a lo largo de toda su longitud, esta característica le da múltiples ventajas comparada a la anterior. Su mayor diámetro le confiere mayor resistencia y su rosca constante permite el reajuste de la placa contra la pared rocosa. La capacidad de anclaje de las varillas de fierro corrugado es del orden de 12 TM, mientras que de las barras helicoidales superan las 18 TM. El sistema Barra Helicoidal es muy fácil de instalar. Gracias al hilo continuo de la barra, ésta puede cortarse en el terreno a la longitud deseada sin tener que preparar una provisión de barras de cada longitud a usar, lo cual reduce el manejo de stocks. El hilo de paso amplio permite una colocación muy rápida de la tuerca. Es fácil de limpiar y no se daña durante el transporte. Se adapta a las irregularidades de la superficie. La placa base de forma curva y con perforación central cónica, junto con la tuerca de base esférica, pueden adaptarse a las irregularidades de la superficie rocosa actuando como rótula. Al tener la placa de sujeción un domo semiesférico y una rondana de la tuerca también semiesférica, se logra una junta universal en la que la placa siempre quedará ajustada a la roca, sin importar el ángulo de inclinación del perno de anclaje con respecto a la roca expuesta. Mejor adherencia. La adherencia con el cemento, cembolt o con la resina es mucho mayor con la Barra Helicoidal que con la Barra Corrugada, logrando anclas de muy alta resistencia en rocas de mala calidad. 7.2 ANCLAJES A BASE DE RESINA. Fabricados a base de resina de poliéster armada con fibra de vidrio, embebida en un material inerte granular. Para que la resina inicie su fraguado es necesario ponerla en contacto con un catalizador que está incluido en el mismo cartucho que la resina, pero en un compartimiento separado (o en cartucho independiente). Este sistema consiste en introducir unos cartuchos de plástico de unos 25 mm de diámetro y 200 mm de longitud que contienen resina líquida y un catalizador que solidifica la mezcla cuando se pone en contacto con la resina. Los tiempos de fraguado están comprendidos entre 1 y 5 min hasta unos 90 min., dependiendo de los reactivos empleados. Como también de la temperatura Así, para una resina de fraguado rápido, éste se consigue en unos 4 min. a una temperatura de -5 ºC, mientras que para una temperatura de 35 ºC, el fraguado se produce en unos 25seg. Es eficaz en la mayor parte de las rocas.

Probablemente el aspecto más crítico para conseguir un buen anclaje con cartuchos de resina está constituido por la diferencia entre los diámetros del perno y los del taladro en el que se va a colocar. Dicha tolerancia debe ser inferior a 10 mm, de lo contrario,

muy probablemente, la calidad del anclaje no será buena ya que se dificultará notablemente la mezcla de la resina con el catalizador. Para que se realice el proceso de fraguado hay que introducir los cartuchos de resina en el taladro en el que se va a anclar el perno. Luego se introduce el perno mediante movimientos de rotación y avance; al llegar al tope del taladro, debe mantenerse la rotación para asegurar la buena mezcla de la resina y el catalizador, hasta que aparezca el mortero por la boca del taladro. La instalación correcta requiere una mano de obra experta y una supervisión cuidadosa. Existe también una limitación con respecto a la longitud de las barra, para los anclajes de resina, no pudiendo ser mayores de 12 m porque la mayoría de las perforadoras no pueden hacer rotar barras más largas con una velocidad suficiente para conseguir una mezcla óptima de resina y catalizador. 7.3 ANCLAJES A BASE DE CEMENTO Es el método más usual de anclaje para un largo período de vida porque los materiales son baratos y la instalación es muy sencilla. Puede emplearse para una gran variedad de suelos y rocas, además de proveer una protección adecuada contra la corrosión. La mezcla de cemento está compuesta normalmente por cemento estable y agua con una relación agua-cemento comprendida entre 0,4 y 0,45. Esta relación produce un mortero que puede ser bombeado en pequeños diámetros y obtener a la vez una alta resistencia. Se trata de cartuchos de plástico de unos 25 mm de diámetro y 200 mm de longitud que contienen mortero de cemento. Los cartuchos de cemento dan una mayor capacidad de tracción ya que los de resina tendrán una capacidad máxima de 400 kN. El anclaje mediante mortero de cemento es más seguro que el que se consigue con cartuchos de resina, ya que una vez sumergidos los cartuchos de cemento enagua, el proceso de hidratación no depende del método operativo. Se introducen en el taladro un cartucho hidratante y luego el cartucho de cemento como agente adherente, al que se añaden aditivos para facilitar el proceso de hidratación; luego se introduce la barra mediante percusión. La adherencia que se consigue está comprendida entre 0.5 y 3 MPa. El Tiempo de fraguado es de varias horas. Una variedad es:

8. CONSIDERACIONES IMPORTANTES PARA SU UTILIZACIÓN: Los pernos de varilla cementados o con resina son generalmente usados como refuerzo permanente, pero también pueden ser utilizados como refuerzo temporal en varias condiciones de roca, desde rocas de buena a mala calidad, constituye el mejor sistema para rocas de muy mala calidad y también para rocas en ambientes de altos esfuerzos. En presencia de discontinuidades abiertas y/o vacías, no es recomendable su uso a menos que la inyección de la pasta de cemento pueda ser chequeada. Cuando se usa cemento (en cartuchos o inyectado), se requiere varios días de curado antes que el perno trabaje a carga completa, pero apropiadamente instalados son competentes y durables, con alta resistencia en condiciones de roca dura. Estos pernos tienen larga vida útil y constituyen el sistema más versátil de pernos de roca. El uso de varillas con cemento inyectado es frecuentemente el sistema de sostenimiento más barato, pero no se debe usar en taladros con agua y tampoco se debe tensar inmediatamente. El diámetro requerido por los taladros es de 32 a 36 mm. Cuando se usa resina, sea ésta de fraguado rápido (menos de 30 segundos) o fraguado lento (2 a 4 minutos), el perno trabaja a carga completa en más o menos5 minutos, permitiendo así pretensar el perno e instalarlo en presencia de filtraciones de agua. La resina viene en cartuchos con el catalizador separado dela resina y por efecto de la rotación del perno al momento de introducir al taladro, éstos se mezclan generando el fraguado. Este sistema proporciona una alta capacidad de carga en condiciones de roca dura, resistente a la corrosión y a las vibraciones del terreno y brinda acción de refuerzo inmediato después de su instalación, aunque su costo es mayor que los pernos cementados (en cartucho o inyectado). El diámetro del taladro es crucial para el mezclado y fraguado de la resina, para varillas de 20 mm el diámetro máximo debe ser 32 mm.

Tipos de cartuchos de resina.

También se pueden instalar las varillas combinando la resina de fraguado rápido con el cemento (en cartuchos o inyectado). En este caso, la resina va al fondo del taladro y el resto es llenado con lechada de cemento o cartuchos de cemento. Una de las razones para emplear este sistema es disminuir los costos. En general es importante chequear la calidad del cemento y de la resina antes de su uso, desde que son muy sensibles al almacenamiento subterráneo por largos periodos de tiempo, éstas tienen una vida limitada indicada por el fabricante.

9. PROCEDIMIENTOS DE INSTALACIÓN Primero, el equipo técnico de apoyo de mina debe determinar el patrón adecuado de los pernos, a continuación, se perforan los taladros. Cuando se usa inyección de cemento, después de la perforación se introduce la varilla dentro del taladro. Luego se coloca la pasta de cemento utilizando un tubo hueco de PVC, que se introduce asegurándolo ligeramente a la varilla. La pasta se inyecta mediante el uso de una bomba y se va retirando el tubo de PVC conforme se va inyectando. Finalmente se coloca la placa sin tensionar el perno. El tensionado se deberá ejecutar como mínimo 48 horas después de colocado el perno, salvo el uso de acelerantes de fragua. La relación cemento/agua ideal de la pasta de cemento es de 3.5:1 en peso, lo cual equivale a 16 litros de agua por 45 kilos de cemento.

Cuando se usa cartuchos de cemento (cemento con aditivos especiales en un envase plástico), se debe limpiar el taladro, luego se introducen los cartuchos previamente remojados con agua hasta llenar el taladro. Después se introduce la varilla hasta unos 50 cm, doblándola ligeramente, a fin de que ésta pueda romper mejor los cartuchos y producir mejor mezcla al momento de introducir girando la varilla por acción de la perforadora. Finalmente se coloca la placa sin tensionar el perno, el tensionado se deberá ejecutar como mínimo 48 horas después de colocado el perno, salvo el uso de acelerantes de fragua.

Cuando se usa resina, el procedimiento es similar a los cartuchos de cemento, pero en este caso, una vez perforado y limpiado el taladro, se introducen primero los cartuchos de resina de fraguado rápido hasta el fondo y luego los cartuchos de resina de fraguado lento. La cantidad de cartuchos estará determinada por el diámetro y longitud del taladro, de la varilla y de los cartuchos de resina. El fabricante proporciona las cantidades recomendables, el objetivo es que todo el taladro quede rellenado. Es importante en este caso que se produzca una buena mezcla de la resina con el catalizador, para que la adherencia de la varilla con la roca sea eficaz. Esto se logra mediante la rotación de la varilla con la perforadora durante 10 a 15 segundos, tal como se indicó en el párrafo anterior, para el caso de los cartuchos de cemento. Finalmente se coloca la placa, pudiéndose tensionar de inmediato, por efecto de la fragua rápida. Posteriormente el fraguado lento actuará con la varilla tensionada. Cuando se usa resina y cemento, se colocan los cartuchos de resina de fraguado rápido en el fondo del taladro y se completa el resto con pasta de cemento o cartuchos de cemento, siendo el resto del procedimiento similar a los antes mencionados. Un aspecto final está referido al tensionamiento de los pernos. Cuando la masa rocosa ha estado sometida a intensa deformación, es recomendable el tensionamiento. Cerca de los frentes de avance, donde la masa rocosa pueda presentar deformación subsecuente significativa o cuando están presentes altos esfuerzos, no es recomendable el tensionamiento.

Instalación de un perno de varilla de fierro corrugado usando cartuchos de cemento, cartuchos de resina o ambos.

10.PULL TEST El Sostenimiento de labores mineras subterráneas y superficiales mediante el refuerzo considera la aplicación de los pernos de roca (Rock Bolt), que son clasificados de acuerdo a su tipo de anclaje: Anclaje Puntual: Pernos mariposa Anclaje Repartido: Químico: Perno cementado Perno con resina Mecánico: Split Set Swelllex. Anclaje Combinado: Pernos Kiruna Para la aplicación de los pernos de roca en el diseño del sostenimiento; como elemento de refuerzo, de una labor minera subterránea y superficial, uno de los aspectos ha considerarse, es su capacidad de anclaje. La capacidad de anclaje de un perno de roca; de anclaje puntual, repartido y combinado, se determina mediante el ensayo de tracción (Pull Test), empleando la máquina de arranque de pernos (Rock Bolt Tester). 10.1 MAQUINA DE ARRANQUE DE PERNOS La máquina de arranque de pernos permite determinar la capacidad de carga o de anclaje de los pernos de roca (anclaje puntual, repartido y combinado), instalado en un determinado macizo rocoso, mediante el ensayo del “Pull Test”, esta capacidad de anclaje de un perno de roca, es determinado considerando aspectos importantes como:  Longitud del perno.  Diámetro del taladro.  Tiempo de instalación.  Calidad del macizo rocoso. Además, permite controlar su comportamiento del perno de roca, como sistema de sostenimiento de labores mineras subterráneas y superficiales. durante y después de su instalación. La máquina de arranque de pernos, como se aprecia en la Foto Nº 1, consta de tres partes:

10.1.1 UNIDAD DE PRESIÓN Esta unidad de presión está constituida por las siguientes componentes: - Gata central. - Bomba Hidráulica. - Manguera de transmisión de presión. 10.1.2 UNIDAD DE LECTURA DE MEDICIONES Esta unidad de lectura de mediciones está constituida por las siguientes componentes:

- Reloj de lectura de presión. - Calibrador. - Soporte Universal. 10.1.3 ACCESORIOS - Cabeza de jalado. - Tornillo de jalado. - Tuercas. - Perno de ojillo. - Espaciadores. - Arandelas. - Sujetador de punto cero. - Manija (manipulador de ajuste). - Puente de cabeza. - Abrazadera grande. - Guía Metálica de perforación. - Llaves hexagonales.

10.2 Partes Probador hidráulico que consiste en un cilindro hidráulico, un manómetro para 10, 20 o 30toneladas y una bomba hidráulica a mano para probar los elementos para el sostenimiento de terrenos. Verificar que el manómetro sea el adecuado para el cilindro utilizado.

El Mango exterior debe estar fijado con una arandela de presión y contra tuerca. El Mango de Ajuste debe ser utilizado para ser ajustado contra el cilindro sobre la arandela

para la instalación del probador en preparación para la prueba. Ajustar el mango hasta que la base del probador haga un buen contacto con la platina de apoyo y en línea con el elemento a probar.

Uña del probador (adaptador) La uña del probador sirve para conectar con el elemento a probar. Para realizar dichas pruebas se requiere una arandela.

Conexión de la uña y varilla del probador: La uña debe estar fijada sobre la varilla del probador utilizando una tuerca 3/4" y una arandela de presión. La uña debe estar siempre instalado sobre el perno para probar en posición vertical ( las puntas de la uña por abajo ).

Para las pruebas de los pernos roscados se puede utilizar un adaptador roscado con roscas del mismo tipo del perno.

El probador debe ser instalado siempre en línea con el elemento de sostenimiento a probar. Utilizar los pernos de ajuste para alinear la base del probador y para estar en buen contacto con la platina de apoyo, si es necesario apoyar las esquinas de la platina de apoyo del perno con otras platinas para que la platina de apoyo no se doble.

Prueba de tracción Los ensayos no deberán realizarse antes de haber transcurrido una hora desde su instalación ni después de 24 h. Esto asegura que la resina haya tenido tiempo para endurecer y que ningún movimiento del techo haya bloqueado el perno en el barreno. El equipo tiene que instalarse como se muestra en la figura 20. El pistón de tracción deberá estar alineado con el eje del barreno para garantizar que el perno no entre en contacto con las paredes del barreno. La mejor forma de hacerlo es limpiar el área alrededor del barreno y entonces apuntalar con cuñas entre el techo y la placa de apoyo. Cuando el ensamblaje está completamente alineado, el vástago de la galga de medición se encuentra en la hendidura del extremo del pistón de tracción, de modo que este también este alineado con el eje del perno y la galga deberá estar bien anclada. La carga se debe aplicar lenta, uniforme y sin pausas. El desplazamiento del perno se debe fijar en intervalos de 10 KN.

10.3 PERNOS HECHO DE LA BARRA DE CONSTRUCCIÓN (BC) DESCRIPCIÓN: (BC) Barras laminadas en caliente con resaltes, con roscas cortadas en un extremo para aceptar una tuerca cuadrada. Las roscas conformen con 3/4" - 10 N. C.

El perno para probar debe estar instalado con una arandela de 2 1/4" de diámetro exterior y de un grueso de 1/2". La tuerca de soporte avanzado por un mínimo de 1" del extremo del perno. La uña instalada sobre la arandela en posición vertical y completamente en contacto con la arandela. Un perno de 3/4" tiene una resistencia de las roscas de 15 toneladas. Es recomendable hacer pruebas de arranque hasta 10 toneladas y si no hay movimiento esperar un minuto antes de desinstalar el probador.

10.4 PRUEBAS DE ARRANQUE DE PERNOS HECHO DE BARRA DE CONSTRUCCIÓN LAS PAUTAS IMPORTANTESINSTALACIÓN CON LECHADA DE CEMENTO a. El tiempo de fragua de 48 horas es recomendado. b. Verifica la mezcla de la lechada de cemento que está de acuerdo con las normas para este trabajo de .3:1 hasta.45:1 agua: cemento por peso. c. Que los pernos estén bien instalados y con lechada por toda su longitud, lo más crítico son los pernos instalado en vertical cuando sea instalado con una lechada menos gruesa. 10.5 INSTALACIÓN CON CARTUCHOS DE CEMENTO a. El tiempo de fragua de 24 horas es recomendado b. Verificar la longitud del perno grouteado. Remover la platina de apoyo y verificar la longitud del perno sin lechada al dentro con un alambre para tener la longitud de la zona lechada. c. El tiempo de fragua y la resistencia del perno se puede ser afectado por los siguientes: 1. Diámetro de la perforación. Diámetro optimo es de 32 mm 2. La presencia de infiltraciones de agua en la masa rocosa 3. La humedad ambiental en el área de la instalación 4. La temperatura de la roca, más fría = más lento la fragua * Verificar los procedimientos de la instalación, que los cartuchos estén remojados en agua por un mínimo de 5 minutos antes de la instalación en la perforación. 10.5.1 INSTALACIÓN CON CARTUCHOS DE RESINA Y CARTUCHOS DE CEMENTO a. Las pautas más importantes con una instalación con cartuchos de resina 1. Diámetro de la perforación 32 - 36 mm, Diámetro optimo es de 32 mm 2. Tiempo de la rotación de 20 segundos a una velocidad máxima de la perforadora 3. Después el tiempo de rotación el perno debe quedar sin movimiento por un minuto b. El tiempo de fragua y la resistencia del perno se puede ser afectado por lo siguientes: 1. Diámetro de la perforación. Diámetro optimo es de 32 mm 2. Temperatura del cartucho, de la roca y ambiental, optima 10 - 20 C 3. Tiempo de la rotación, 20 - 25 segundos, menos rotación = más tiempo de fragua 4. Edad y condición del producto. Tiempo de vigencia de 6 meses 5. Guardar los cartuchos en un lugar fresco y seco, evitar la exposición directa a la luz del sol 6. Cartuchos de resina no se encuentran afectados por la presencia o infiltraciones de agua c. Antes de hacer las pruebas esperar por el tiempo de fragua, utiliza los siguientes tiempos: 1. 1 minuto (Rápida) 30 minutos 2. 2 - 5 minutos (Lenta) 4 horas d. La combinación de resina rápida y cartuchos de cemento

1. Instalación primero de 1 cartucho de cemento seguido con un mínimo de dos cartuchos de resina al fondo de la perforación, llenar la perforación con cartuchos de cemento. 10.6 PERNOS HECHO DE LA BARRA HELICOIDAL (BH) DESCRIPCIÓN: (BH) - Barras laminadas en caliente con resaltes en forma de rosca helicoidal de amplio paso. El diseño de los hilos permite colocar una tuerca que puede rodar longitudinalmente por los resaltes por toda la barra.

Los procedimientos para pruebas de la Barra Helicoidal son iguales a las de la Barra de Construcción con la excepción que la tuerca hemisférica debe estar instalada invertida para conectar con la uña del probador tal como se muestra en este ejemplo. Un perno de barra helicoidal tiene una resistencia de la tuerca fundida de 10 hasta 18toneladas. Es recomendable de hacer pruebas de arranque hasta 10 toneladas y si no hay movimiento y no se rompe la tuerca, esperar un minuto antes de desinstalar el probador. Para probar la resistencia máxima (26 toneladas) de la barra se recomienda un adaptador con roscas helicoidales y un cilindro de 20-30 toneladas.

11.Ensayo Pull test - Ingeniero Emiliano Mauro Giraldo Paredez OBJETIVOS Determinar la carga que puede soportar cada pie de longitud efectiva de anclaje de los pernos. Tiempos totales para la actuación de cada tipo de perno, después de su instalación en un macizo rocoso. TIPOS DE PERNOS ESTUDIADOS a) SPLIT SET (PRODAC) b) BARRAS HELICOIDALES (ACEROS AREQUIPA) c) HYDRABOLTS (NEW CONCEPT MINING) d) SWELLEX (ATLAS COPCO) AREA DE PRUEBAS: CIAMINERACASTROVIRREYNA–Unidad Reliquias, Crucero752 Nivel 642, Zona de Estériles–Veta Matacaballo. EQUIPO UTILIZADO: a) PERFORACIÓN: Perforadoras tipo Jackleg (Castrovirreyna) b) PULLTEST: Equipo Hidráulico (Bomba Manual Power Team, manómetro ENERPACENGF–813P, dial RCH302. c) OTROS: Vernier digital, cámara, filmadora, etc. Trabajando con una longitud efectiva de 4ft para cada tipo de perno de anclaje. 11.1 TIEMPOS DE INSTALACION DE LOS PERNOS Y PRUEBAS DEPULL TEST (28 Y 29 DE MARZO):

11.2 CAPACIDADDE SOSTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DEPERNOS EN FUNCION DE SUS LONGITUDES EFECTIVAS

Análisis de resultado  Los pernos Split Set, Hydrabolts y Swellex proporcionan anclajes más uniformes.  Los pernos de menor y mayor capacidad de anclaje son el Split Set y el Hydrabolt, respectivamente. La mayor capacidad se obtiene debido a las fuerzas radial es que ejerce el agua a presión, retenida en el interior de este perno.

 Los pernos Split set, Hydrabolts y swellex, sostienen inmediatamente después de su instalación. Las barras helicoidales dependerán del mortero empleado.  La capacidad de anclaje de las Barras Helicoidales está influenciada en forma determinante por el material de acoplamiento (mortero).  La elongación de los sistemas de anclaje, tienden a guardar una relación lineal con la carga aplicada. Los sistemas que muestran mayor y menor elongación son los pernos Split Set e Hydrabolts, respectivamente.

 El perno de más bajo costo por m2 sostenido es el Perno Hydrabolt y el de más alto costo es la Barra Helicoidal instalado con resina (realidades encontradas en el área de estudio).

11.3 CAPACIDAD DE ANCLAJE DE PERNOS DE ROCA EN MINAS PERUANAS

12.Ejemplos de aplicaciones internacionales de apernado EE. UU. 1) Regulaciones La regulación del soporte de techos de las minas en EE.UU. se basa en el Federal Code of Regulations (Código Federal de Normas), título 30, apartado 75.200. El subapartado 75.204 alude a la publicación F432-95 adjunta de la American Society for Testing Materials (Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales), denominada ‘Standard Specification for Roof and Rock Bolts and Accessories’. La mayoría de los materiales utilizados en el anclaje de techos están fabricados y probados de acuerdo con las especificaciones de la ASTM F432-95. Todos los materiales no certificados se tienen que usar con la aprobación del Gerente de Distrito de la Administración de Salud y Seguridad Mineras. 2) Métodos de anclaje En EE.UU. se instalan al año unos 100 millones de pernos de techo completamente consolidados. El ochenta por ciento es en acero corrugado de 5/8 pulgadas (15,8 mm) que es consolidado completamente en un barreno de 1 pulgada (25,4 mm). Las barras de acero corrugado consolidadas completamente inyectadas de 3/4 pulgadas (19 mm) en barrenos de 1 pulgada (25,4 mm), que se usan con menos frecuencia, maximizan el rendimiento de la resina. Las primeras ofrecen solo el sesenta por ciento de la resistencia de tracción de la resina de las segundas. Esta reducción en la resistencia de la resina se debe a la mezcla no óptima de la resina asociada a la corona anular de 3/8 pulgadas (9,5 mm) definida como el diámetro del orificio menos el diámetro de perno. La corona anular de 1/4 pulgadas (6,4 mm) maximiza la potencia de mezcla de la tensión de cizallamiento de la rotación del perno y proporciona una mezcla ideal de la resina. El predominio de las barras de armadura de 5/8 pulgadas (15,8 mm) más rentables en las minas de carbón estadounidenses se debe a las condiciones geológicas favorables generalizadas, los métodos de minas con varias entrada y el marco regulatorio. Las minas de carbón con problemas de techo apremiantes o demasiado graves para poder controlarlos con pernos de 5/8 pulgadas (15,8 mm), se empernan con combinaciones de barrenos de 1 pulgada (25,4 mm) con pernos completamente inyectados de 3/4 pulgadas (19 mm), que puede encontrarse postensionados o en una combinación de soporte puntual mecánico y pernos de cable. El sistema Eclipse® fue desarrollado por Minova Inc USA para mejorar el rendimiento del acero corrugado de 5/8 pulgadas (15,8 mm) deformada y consolidada completamente en un barreno de 1 pulgada. La cabeza de amarre del perno de 1/8 pulgadas (3,2 mm) combinada con cartuchos de resina Eclipse Lokset® especialmente formulados da lugar a: una reducción del efecto dedo de guante; un incremento de la eficacia de la mezcla; un incremento de la resistencia de tracción; un anclaje de resina uniforme; ausencia de cavitación; una mezcla de calidad homogénea hasta el fondo del barreno. Las pruebas de laboratorio han demostrado que el sistema Eclipse® reduce el efecto dedo de guante aproximadamente un setenta por ciento. Excel Mining Systems introdujo este nuevo sistema como prueba en abril del 2004, patentado en 2002. se instalaron un millón de

pies lineales del sistema Eclipse® al mes en las minas de carbón de EE.UU., la mayoría en la Cuenca de Illinois. 3) Diferencias entre roca dura, carbón y obra civil En las minas de roca dura de EE.UU. y Canadá se emplea una amplia variedad de técnicas de anclaje. Las barras de acero corrugado consolidadas ocupan un segmento minoritario del mercado, dominado por los pernos de fricción y pernos de anclaje. La finalidad del anclaje de techo en las minas de roca dura ígnea es mantener las piezas de la parte superior de la cavidad en su lugar, permitiendo el movimiento de techo que se encuentra justo en carga. Los pernos de fricción no se utilizan en estratos sedimentarios en capas, como el carbón porque esta roca no tolera movimientos. Los estratos ígneos son por lo general macizos con roturas dominados por sistemas de fractura inducidos por voladuras. Las rocas ígneas son masivas y pueden tolerar movimientos originados por el avance del frente, posibilitando que la metodología de fricción más económica domine el mercado. Las barras de armadura inyectadas son el método estándar en estratos sedimentarios y el método superior utilizado en condiciones especiales en minas de roca dura. 4) Métodos de instalación La inmensa mayoría de los pernos de techo inyectados y de fricción empleados en EE.UU. y Canadá se instalan con equipos de perforación hidráulicos modernos de Fletcher, Joy, Cannon y otros fabricantes de equipamiento especializados. Estas máquinas accionadas por electricidad o combustible diesel, suelen estar montadas sobre ruedas de goma. Algunas minas de metales preciosos emplean martillos de acción neumática. Las barras de acero corrugado completamente consolidadas están ancladas con formulaciones de reacción rápida de Minova USA de 20 a 35 seg. Los sistemas de anclaje con canastas puntuales están inyectados con una formulación de velocidad de 50 seg. 5) Procedimientos de diseño y teoría para modelos y longitud de perno y pruebas utilizadas para probar el rendimiento del anclaje Investigadores de NIOSH y universitarios han presentado metodologías para la selección de pernos para techos. Sin embargo, el diseño de pernos de techo se basa en el rendimiento histórico del perno en una estructura geológica determinada. Los cambios en el diseño son evolutivos y no revolucionarios. Los cambios en el tipo, la resistencia y la longitud del perno están motivados por roturas recientes o iniciativas para reducir costes. Sudáfrica 1) Regulaciones Por ley, todas las minas necesitan determinar un “código de prácticas” que realiza el ingeniero de rocas que a su vez lo envía al DME (Department of Minerals and Energy) para que lo apruebe. Este código profesional es específico para cada mina. 2) Métodos de anclaje En la práctica, al menos el ochenta y cinco por ciento de la industria utiliza sistemas de soportes consolidados que casi siempre están pretensionados. El quince por ciento restantes sería de soporte de carga puntual y lo

realizan los independientes pequeños que usan una cápsula de resina para reducir costes. Los contratistas usan este sistema con los anclajes de cable y el resto de la perforación se rellena con lechada de cemento. Hay numerosos tipos de barras que se utilizan en las hulleras. Los tipos más utilizados en la actualidad son: barra escalonada (JAE) y barra DD (DSI): las barras escalonadas tienen un diámetro de 18 mm (son las más comunes debido a su precio) y se instalan en perforaciones de 23,5 mm. Las barras de 20 mm se instalan en perforaciones de 25–28 mm (coronas Amcoal de 25,6 mm). barra química (Videx): su diámetro normal es de 17,4 mm y se instala con una corona de 22 ó 23,5 mm. barra de acero corrugado (Duraset): se suministra en diámetros de 16 y 18 mm. Minova South Africa ha desarrollado el sistema Lokset® ‘Spin to Stall’. Este sistema ayuda a eliminar los efectos de las variables operacionales, como la temperatura ambiente y la velocidad de giro, de modo que la instalación se autosincroniza y autocomprueba. Minova South África formuló una cápsula de resina única que combina un endurecimiento extremadamente rápido con una gran resistencia. La resina especial se utiliza combinada con un bulón con rosca y una tuerca que gira el bulón hasta que este alcanza la fuerza de torsión predeterminada y rompe el “Spind” de seguridad y la tuerca tensa el bulón. El proceso completo se realiza en 9–11 segundos y el tramo de rosca que aparece debajo de la tuerca es un buen indicador de si la instalación se ha realizado con éxito. 3) Diferencias entre roca dura, carbón y obra civil La industria de la roca dura utiliza barras GEWI, cáncamos, split sets, pernos Hydro bulones, relleno, llaves de relleno y ensamblajes. Los pernos de cable y las barras Gewi se utilizan sobre todo en la obra civil. Todo lo mencionado previamente se instala usando cápsulas de cemento o lechadas bombeables. En las minas de oro se utiliza algo resina en determinadas situaciones y en las de platino mucho más. La diferencia viene marcada por que ne las minas de carbón se realiza el avance de galerías por voladura o con minadores continuos, etc. El soporte se ha de colocar de inmediato y se requiere una gran rapidez. 4) Métodos de instalación El noventa y tres por ciento son instalaciones mecanizadas y el siete por ciento es manual. Las máquinas mecanizadas son de Fletcher, Biz Africa, RHAM, ARO, Klockner Bekorit y jumbos apernadores integrados en máquinas Voest y Joy. Operaciones manuales con martillo picador para fases Secundarias (ya mencionadas). Tshikondeni usa Wombats® primordialmente para soportar el techo y también tiene un sistema incorporado en sus rozadoras. Todos los contratistas de minas utilizan máquinas tipo Wombat, así como martillos percutores en sus equipos. Los sistemas mecanizados utilizan resinas de 15 ó 30 segundos como primer cartucho y resinas lentas en las cajas

de recarga. Los instaladores manuales deberían utilizar tiempos de 60 segundos o superiores. 5) Procedimientos de diseño y teoría para modelos y longitud de perno. Pruebas utilizadas para probar el rendimiento del anclaje La cuadricula y la longitud del perno son específicos de cada mina. Esto se realiza en el código de práctica. También se realizan pruebas para conocer la longitud de consolidación crítica de la resina.

13.Bibliografía  ANCLAJES DE INYECCIÓN. Egesa Bauer, Catálogo Informativo,6P.  AYALA, F., et al (1987), “Manual de Taludes”, Instituto Geológico y Miner o de España, 456 p.  BARRON, K., COATES, D. y GYENGE, M., (1970), “Artificial Support of  RockSlopes”, Department of Energy and Resources, Mines Branch, Canada,Research Report No. 228, 144p.  HABIB, P. (1989), “Recommendations for the Design, Calculation, Construction and Monitoring of Ground Anchorages”, A. A. Balkema, 115p.  MEKANO4, S.A., (1996), “Anclajes al Terreno MK4”, Catálogo, 6 p Barcelona,España.  MSc. Ing.Emiliano Mauro Giraldo Paredez,” CAPACIDAD DE SOSTENIMIEMTO DE LOS PERNOS DE ROCA EN FUNCION DE SUS LONGITUDES”, IIMP, Perú.  PERNOS ANCLADOS CON RESINA, MINOVA, 2008, Melbour, Australia.