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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA DE MINAS Y CIVIL

MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN SUBTERRÁNEA II - MI-543

SOSTENIMIENTO CON PERNOS DOCENTE: Ing. BERROCAL ARGUMEDO, Kelvis INTEGRANTES: ACOSTA GUIZADO, Nicanor Jesús MANCILLA LLANTOY, Jhon Gilber QUISPE DIAZ, Saúl RAMIREZ HUAÑA, Kevin Roy TAIPE HUAMÁN, Yon Felipe

AYACUCHO – PERÚ 2019

DEDICATORIA A nuestros distinguidos padres, por su generosidad y dedicación hacia nuestra persona para culminar nuestros estudios superiores y lograr nuestro anhelo de ser futuros Ingenieros de Minas.

AGRADECIMIENTO En esta oportunidad expresamos nuestro agradecimiento a la UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA, por darnos la oportunidad de formarnos profesionalmente como futuros Ingenieros de Minas y personal docente por habernos trasmitido los conocimientos, experiencias y orientación vocacional para nuestra formación profesional y para poder contribuir en la sociedad circundante, de la misma forma agradecemos de manera especial al Ing. BERROCAL ARGUMEDO, Kelvis por darnos la oportunidad de desarrollar este presente trabajo, por incentivarnos a la mejora continua de nuestros conocimientos y así impulsando la investigación en los futuros profesionales.

ÍNDICE CAPITULO I ........................................................................................................................................ 8 1.1.

OBJETIVOS .................................................................................................................... 8

1.1.1.

OBJETIVO PRINCIPAL ......................................................................................... 8

1.1.2.

OBJETIVOS SECUNDARIO .................................................................................. 8

CAPITULO II ....................................................................................................................................... 9 2.1 CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA. ................................................................................. 9 2.1.1 ROCK LOAD (TERZAGHI) .......................................................................................... 9 2.1.2. TIEMPO DE AUTO SOSTENIMIENTO O STAND-UP TIME (LAUFFER) .......... 10 2.1.3. SISTEMA Q (BARTON EN EL 1974) ........................................................................ 12 2.1.4. CLASIFICACIÓN DE BIENIAWSKI ........................................................................ 15 2.1.5. INDICE DE RESISTENCIA GEOLOGICA (GSI – GEOLOGICAL STRENGH INDEX). ................................................................................................................................. 25 .................................................................................................................................................... 28 2.2. SOSTEMINIENTO............................................................................................................. 29 2.2.1. Generalidades ............................................................................................................... 29 2.2.2. TIPOS DE SOSTENIMIENTO ................................................................................... 33 2.3. PERNO HELICOIDAL. .................................................................................................... 36 2.3.1. Definición...................................................................................................................... 36 2.3.2. CONSIDERACIONES IMPORTANTES PARA UTILIZACIÓN:............................ 37 2.3.3. CARACTERÍSTICAS: ................................................................................................ 38 2.3.4. VENTAJAS GEOMECÁNICAS Y OPERACIONALES ........................................... 38 2.3.5.VENTAJAS TÉCNICAS Y ECONÓMICAS RESPECTO DE OTROS PRODUCTOS ................................................................................................................................................ 39 2.3.6. BENEFICIOS DEL SISTEMA BARRA HELICOIDAL............................................ 40 2.3.7. MORTEROS PARA LA INSTALACIÓN DE LAS BARRAS HELICOIDALES ..... 40 2.3.8. APLICACIONES DE LA BARRA HELICOIDAL EN MINERÍA ............................ 41 2.3.9. NORMA TÉCNICA ..................................................................................................... 42 2.3.10. PROCEDIMIENTOS DE INSTALACIÓN............................................................... 42 2.3.11. EMPERNADO DE ROCA ......................................................................................... 43 2.3.12. EFECTOS EN LOS ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO ................................... 44 2.3.13. CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO ............................... 44 2.3.15. EMPRESAS QUE APUESTAN POR LA SEGURIDAD EN SOSTENIMIENTO DE TERRENOS ........................................................................................................................... 45 2.4. SPIT SET. ........................................................................................................................... 45 2.4.1. OBJETIVOS PRINCIPALES: .................................................................................... 45

2.4.2. OBJETIVOS SECUNADRIOS: .................................................................................. 45 2.4.3. DESCRIPCION: .......................................................................................................... 45 2.4.4. APLICACIONES Y USOS: ......................................................................................... 46 2.4.5. COMO TRABAJA: ...................................................................................................... 46 2.4.6. DATOS TECNICOS: ................................................................................................... 47 2.4.7. TIPO DE ROCA........................................................................................................... 47 2.4.8. TIPOS DE SPLIT SET ................................................................................................ 47 2.4.9. PARTES QUE COMPONEN EL PERNO SPLIT SET .............................................. 48 2.4.10. VENTAJAS: ............................................................................................................... 48 2.5. SWELLEX ......................................................................................................................... 48 2.5.1. COMO SE DETERMINA EL TIPO DE SOPORTE CON SWELLEX ..................... 48 2.5.2. TIPOS DE SWELLEX ................................................................................................. 48 2.5.3. DIÁMETRO Y ESPESOR. ......................................................................................... 49 2.5.4. DIÁMETRO DE TALADRO....................................................................................... 49 2.5.5.CARACTERÍSTICAS DE SWELLEX ........................................................................ 50 2.5.6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE SWELLEX ........................................................ 50 2.5.7 PROCESO DE EXPANSIÓN ....................................................................................... 55 2.5.8. ACCION DEL ANCLA SOBRE LA ROCA ............................................................... 56 2.5.9. PROCESO DE INSTALACION.................................................................................. 57 2.5.10. PROCESO DE FABRICACION. .............................................................................. 57 2.6. PERNOS HYDRABOLT .................................................................................................... 58 2.6.1.CARACTERÍSTICAS .................................................................................................. 59 2.6.2. Características técnicas ................................................................................................ 60 2.6.3.ACCESORIOS .............................................................................................................. 60 2.6.4.VENTAJAS DEL HYDRABOLTS............................................................................... 61 2.6.5. RANGO DE FABRICACIÓN DE HYDRABOLTS.................................................... 61 2.6.6. CONTROL DE CALIDAD .......................................................................................... 62 2.6.7. EQUIPO DE PERFORACIÓN PARA EMPERNAR LOS PERNOS HYDRABOLT ................................................................................................................................................ 63 2.6.8. COLOCACIÓN DEL HYDRABOLT ......................................................................... 63 2.6.9. PRUEBAS DE ARRANQUE DEL HYDRABOLT ..................................................... 64 2.6.10. Costos de pernos ......................................................................................................... 65 2.6.11. SELECCIÓN DE QUIPOS DE EMPERNADO ........................................................ 65 2.6.12. CAPACITACIÓN DEL PERSONAL ........................................................................ 65 2.6.13. REALIZACIÓN DE LA INSTALACIÓN DE HYDRABOLT ................................. 65 2.7. EJERCICIOS APLICATIVOS .......................................................................................... 72

2.7.1. EJERCICIO N°-01 ...................................................................................................... 72 CAPITULO III .................................................................................................................................... 74 4.1. Comparación de los sistemas Q, RMR, RMRM en función de sus parámetros. ..... 74 4.2. PARÁMETROS COMPARATIVOS Y RENDIMIENTOS ENTRE HYDRABOLT Y SWELLEX ................................................................................................................................. 75 CAPITULO IV .................................................................................................................................... 77 5.1. CONCLUSION. .................................................................................................................. 77 CAPITULO V ..................................................................................................................................... 78 5.1. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 78

INTRODUCCIÓN La minería es una industria altamente peligrosa, donde la caída de rocas es el problema principal con el cual el ingeniero de minas lucha a diario durante su vida profesional, para proveer que no haya ningún tiempo de accidentes o incidente en su la labor que esté a cargo. Para lo cual el ingeniero hace una clasificación geomecánica del macizo rocoso, para dar un tipo de sostenimiento de acuerdo a la calidad que tiene. Se ha observa que, en el minado subterráneo sobre minerales y rocas competentes y fracturadas, ubicadas a bajas profundidades, el tipo más común de fallas son aquellos que involucran las caídas y deslizamientos de bloques del techo como de las paredes de las aberturas por efecto de la gravedad y la pérdida o rotura del empalme (cohesión) de estos bloques a lo largo de los planos de las discontinuidades. Si estos bloques sueltos no son reforzados oportunamente la estabilidad de las aberturas pueden deteriorarse rápidamente. Cada bloque que se desprende o desliza, reducirá la capacidad de embone de la masa rocosa, induciendo a los bloques contiguos a fallar. Este proceso puede continuar produciendo el desmoronamiento de la abertura hasta la formación de un arco natural en el techo o su colapso total. La presente investigación se justifica, porque, tiene aporte tecnológico y metodológico, en vista que el empleo de pernos se realiza conforme el avance tecnológico en la industria de la minería, así mismo en el estudio de aceros y aleaciones correspondientes por parte de los fabricantes de estos elementos de sostenimiento. Usualmente se denomina soporte de rocas a los procedimientos y materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al perímetro de la excavación subterránea. Así como ejemplo: Los diferentes tipos de perno como perno helicoidal,Split set, Swellex, Hydrabolt, etc., constituyen sostenimientos activos, cuya aplicación va acompañado del concepto de geomecánica, donde tienen en cuenta el tipo de labor, ancho de labor, y correlacionando con la clasificación de RMR, Q y GSI. Es relevante porque la minería es un sector donde se presentan los más altos índices de accidentes triviales, incapacitantes y mortales, trayendo como consecuencia grandes pérdidas económicas a la empresa.

CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1.OBJETIVOS 1.1.1. OBJETIVO PRINCIPAL • Dar a conocer las características, propiedades, importancia, especificaciones técnicas, tipos, modo de uso, ventajas y diferencias que existen en la barra helicoidal. • Poder aumentar nuestros conocimientos sobre este tipo de perno (Split set), conocer las características y sus valores en el mercado nacional, la instalación y equipo junto con accesorios para una buena estabilización de los esfuerzos, además conocer cómo actúa en distintos tipos de discontinuidades. • Explicar la comparación del rendimiento entre pernos Swellex e Hydrabolt, para seleccionar en forma óptima como sostenimiento activo en las labores subterráneas de mina, basado como elementos de fricción. • Determinar la reducción en los costos de sostenimiento en rocas de diferente calidad, además se centra en la búsqueda del menor tiempo de instalación. 1.1.2. OBJETIVOS SECUNDARIO • Conocer las distintas clasificaciones geomecánicas para poder determinar el sostenimiento adecuado para cada labor especifico. • Cumplimiento del sistema de sostenimiento de acuerdo a las Tablas GSI, RMR,Q utilizadas: pernos de anclaje de acuerdo al tipo de rocas y labores. • Explicar la comparación del rendimiento entre pernos Swellex e Hydrabolt, para seleccionar en forma óptima como sostenimiento activo en las labores subterráneas de mina, basado como elementos de fricción. • Determinar el campo de acción de manera inmediata y segura en el tipo de roca para los operadores y buscar el sustituto del shotcrete para agilizar el ciclo de operación de minado.

CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1 CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA. las clasificaciones pueden ser usadas en la etapa de proyecto y también durante la obra. Permiten estimar el sostenimiento necesario en base a las propuestas del autor de cada sistema de clasificación, mientras que, durante la obra, permiten evaluar la calidad del terreno que se va atravesando conforme avanza la excavación del túnel y aplicar el sostenimiento adecuado para cada caso.

Tabla 01 : Tipos de clasificación de roca. Nombre de la clasificación Rock load Rock quality designation RMR system Q system

Creador Terzaghi, Deere Bieniawski Barton

Año 1946 1967 1973 1974

País

Aplicación

USA Túneles USA Testigos-Túneles Sud-Africa Túneles-Taludes Noruega Túneles-Cavernas

2.1.1 ROCK LOAD (TERZAGHI) En 1946 Terzaghi propuso un sistema de clasificación de roca para calcular las cargas que deben soportar los marcos de acero en los túneles. Este sistema describe varios tipos de roca y en base a su experiencia en los túneles para ferrocarril, fortificados con marcos de acero.

Figura 01: Esquema de Terzaghi

Fuente: Tesis UNSA

Con la aparición del shotcrete y pernos de acero sistemáticos como elementos combinados de sostenimiento, el sistema de Terzaghi empieza a quedar obsoleto, ya que los pernos y shotcrete pasan a ser elementos activos, los cuales interactúan con la roca deformándose junto con ella, no siendo así el caso de los marcos de acero, considerados como elementos rígidos y pasivos encastillados con madera (sostenimiento pasivo). Tabla 01: Clasificación de Terzaghi para cargas de roca en túneles con soporte de marcos de acero

Fuente: Tesis UNSA 2.1.2. TIEMPO DE AUTO SOSTENIMIENTO O STAND-UP TIME (LAUFFER) La clasificación de Lauffer tiene su fundamento en los primeros trabajos de Stini considerado el padre de la escuela austríaca de túneles y mecánica de rocas. Lauffer propuso que el standup time para algún tipo de abertura activa sin sostenimiento está relacionada con la clasificación de la calidad de la roca. (Este tipo de abertura es el ancho del túnel o la distancia del frente al último sector con sostenimiento si ésta es menor que el ancho del túnel). El standup time es el período de tiempo que un frente podrá estar sin sostenimiento después de su excavación.

Figura2 : Tiempo del frente sin desmoronarse en dicha longitud libre.

Fuente: Tesis UNSA

El trabajo de Lauffer resultó básico para que Rabcewicz, Pacher y Müller llegaran a desarrollar el llamado "Nuevo Método Austriaco de Tunelería" (NATM), años más tarde.

Tabla 02 : Clasificación de Lauffer

Fuente: Tesis UNSA

2.1.3. SISTEMA Q (BARTON EN EL 1974) El sistema Q es un método empírico definido en el año 1974 por Barton, Lien y Lunde para el Instituto Geotécnico de Noruega (IGN) y mejorado por Grimstad, Barton y Loset (1993) basado en la correlación de una base datos de más de 1000 ejemplos de túneles y cavernas. El sistema Q puede ser usado en la etapa de construcción y también como una herramienta de predicción de la clasificación basado en el mapeo geotécnico de testigos. a) Factores y parámetros del sistema Q El valor numérico del índice Q se calcula mediante la siguiente fórmula 𝐐 = (𝐑𝐐𝐃/𝐉𝐧) 𝐱 (𝐉𝐫/𝐉𝐚) 𝐱 (𝐉𝐰/𝐒𝐑𝐅) Donde: RQD: Es el índice de calidad de la roca de Deere Jn: Parámetro que representa el número de familias de diaclasas (joint set number). Jr: Parámetro que representa la rugosidad de las diaclasas. Ja : Parámetro que representa el grado de alteración de las diaclasas. Jw: Parámetro de reducción que representa la influencia del agua en las diaclasas. SRF: Parámetro que representa el factor de reducción por esfuerzos. Agrupando los 6 parámetros en tres factores: RQD/Jn: Tamaño de los bloques Jr/Ja: Resistencia al cizallamiento entre bloques. Jw/SRF: Esfuerzos activos.

Figura 03: DIAGRAMA Q Y CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Índice "Q"

Tipo

Categoría Denominación

> 0.7

I

Mala/Muy Mala

0.2 a 0.7

II

Muy Mala

0.05 a 0.2

III Muy Mala/Extremadamente Mala

0.01 a 0.05

< 0.01

IV

V

Extremadamente Mala

Excepcionalmente Mala

Caracteristicas Geomecánicas Roca ligeramente meteorizada o descompuesta; exhiben resistencia en roca intacta entre 50 100 Mpa. Incluyen zonas de cizalla menores que 0.2m de espesor. La mayoria de las discontinuidades son planas y rugosas. Roca moderadamente meteorizada o descompuesta; exhibe resistencia en roca intacta entre 25 - 50 Mpa. Incluyen zonas de cizalla menores que 0.2m de espesor. Fuertemente fracturada. La mayoría de discontinuidades son planas y rugozas. Rona moderada o fuertemente meteorizada o descompuesta, débil; exhibe resistencia en roca intacta entre 5 - 25 Mpa. Incluye pequeñas zonas de roca altamente fracturada. Roca fuertemente meteorizada o descompuesta, débil y con comportamiento similar a un suelo. Exhibe resistencia en roca intacta entre 1 - 5 Mpa. Ocurrencia de importantes zonas de fallas y/o roca arcillosa disgregable. Roca completamente descompusta o meteorizada, con plena alteración a minerales arcillosos, blanda. Ocurrencia de importantes zonas de fallas y/o roca arcillosa disgregable con la mano. Comportamineto similar a suelo.

Fuente: Tesis UNSA

Figura 04:Gráfica de la calidad del Macizo Rocoso

Fuente: Tesis USA - Grafico de sostenimiento del sistema Q.

2.1.4. CLASIFICACIÓN DE BIENIAWSKI El sistema de clasificación Rock Mass Rating o sistema RMR fue desarrollado por Z. T. Bieniawski durante los años 1972-1973, y ha sido modificado en 1976 y 1979, en base a más de 300 casos reales de túneles, cavernas, taludes y cimentaciones. Actualmente se usa la edición de 1989, que coincide sustancialmente con la de1979. Para determinar el índice RMR de calidad de la roca se hace uso de los seis parámetros del terreno siguientes: Tabla 06: Seis parámetros de terreno. La resistencia a compresión simple del material. El RQD (Rock Quality Designation). El espaciamiento de las discontinuidades. El estado de las discontinuidades. La presencia de agua. La orientación de las discontinuidades. Fuente: Tesis UNSA Tabla 07: Calidad de la roca según Bieniawski. CLASE I

: RMR>80; Roca muy buena

CLASE IV

: 40 < RMR < 20 Roca mala

CLASE II

: 8040) No recomendable para rocas Tipo IV y V (RMR