ADEMES

Diseo y evaluacin de los ademes de madera, en la empresa C.I CARMINALES en el municipio de Fredonia.

YUVER DARIO RAMIREZ ALVAREZ

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLIN

FACULTAD DE MINAS

INGENIERIA DE MINAS Y METALURGIA

2009.

Trabajo de Grado para Optar al Ttulo de Ingeniero de Minas y Metalurgia

Director

JORGE MARTIN MOLINA ESCOBAR

Ingeniero de Minas y Metalurgia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.

SEDE MEDELLIN.

FACULTAD DE MINAS.

INGENIERIA DE MINAS Y METALURGIA.

2009

Infinitas gracias a todas a todas las personas que de una u otra forma intervinieron para la elaboracin de este trabajo, y de manera especial al ingeniero Martin Torres, profesor Jorge Martin Molina, personal del

laboratorio de Estructuras de la Universidad Nacional de Colombia, entre otros, que con sus aportes y experiencia enriquecieron de manera

significativa esta labor.

TABLA DE CONTENIDO.

LISTA DE TABLAS. ...............................................................................................................VII

LISTA DE FIGURAS............................................................................................................. VIII

RESUMEN............................................................................................................................... X

ABSTRACT............................................................................................................................. XI

1.INTRODUCCIN................................................................................................................ 12

1.1OBJETIVOS...................................................................................................................... 13

1.1.1 OBJETIVO GENERAL.................................................................................................. 13

1.1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS ........................................................................................ 13

1.1.3 ALCANCES .................................................................................................................. 13

2. DESCRIPCION DE LA MINA EL BLOQUE....................................................................... 14

2.1 UBICACIN Y CLIMA. .................................................................................................... 14

2.2 GEOLOGA...................................................................................................................... 14

2.2.1 GEOLOGA REGIONAL ............................................................................................... 14

2.2.2 GEOLOGA LOCAL...................................................................................................... 15

2.2.3 GEOLOGA DE LOS MANTOS DE CARBN.............................................................. 16

2.2.4 RECURSOS DE CARBN........................................................................................... 16

2.3 MINERA.......................................................................................................................... 17

2.3.1 ARRANQUE DEL MINERAL ........................................................................................ 18

2.3.2 CARGUE DEL MINERAL ............................................................................................. 18

2.3.3 TRANSPORTE DEL MINERAL .................................................................................... 18

2.3.4 SOSTENIMIENTO........................................................................................................ 19

2.3.5 VENTILACIN SECUNDARIA ..................................................................................... 19

2.3.6 ILUMINACIN .............................................................................................................. 19

2.3.7 BOMBEO DE AGUA..................................................................................................... 19

3. GENERALIDADES SOBRE EL SOSTENIMIENTO DE MINAS. ...................................... 20

3.1. SOSTENIMIENTO.......................................................................................................... 20

3.1.1 EXIGENCIAS TCNICAS............................................................................................. 20

3.1.2 EXIGENCIAS DE PRODUCCIN ................................................................................ 20

3.1.3 EXIGENCIAS ECONMICAS. ..................................................................................... 21

3.2 MATERIALES DE SOSTENIMIENTO. ............................................................................ 21

3.3 COMPOSICIN DE LA MADERA................................................................................... 23

4 CARACTERISTICAS INGENIERILES DE LA MADERA EMPLEADA EN LAS MINAS. .... 24

4.1.1 VENTAJAS. .................................................................................................................. 24

4.1.2 DESVENTAJAS............................................................................................................ 25

4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA MADERA.................................................................... 25

4.3 DEFECTOS DE LA MADERA. ........................................................................................ 26

4.4 PROPIEDADES GENERALES DE LA MADERA ............................................................ 27

4.5 PROPIEDADES FSICO-MECNICAS DE LA MADERA. .............................................. 28

4.5.1 RESISTENCIA DE LA MADERA. ................................................................................. 29

4.5.2 RESISTENCIA A LA TENSION. .................................................................................. 29

4.5.3 RESISTENCIA A LA COMPRESION. .......................................................................... 32

4.5.4 RESISTENCIA AL PANDEO. ....................................................................................... 36

4.5.5 RESISTENCIA A LA FLEXION O (MODULO DE RUPTURA). .................................... 36

4.5.6 RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE. .............................................................. 39

5 PRESIONES EN LOS ADEMES DE MADERA. ................................................................ 40

5.1 EVALUACION DE PRESIONES..................................................................................... 40

5.2 PRESIONES EN GALERIAS........................................................................................... 40

6 CONSIDERACIONES PRCTICAS PARA EL DISEO DE ADEMES.............................. 42

6.1 DISEO DE LOS ADEMES DE MADERA. ..................................................................... 47

6.1.1 MARCOS DE MADERA EN LOS TUNELES................................................................ 47

6.1.2 PARA EL MARCO DE MADERA.................................................................................. 47

6.1.3 PARA EL DISEO DEL CAPIZ DE MADERA.............................................................. 47

6.1.4 DISEO DE LAS PALANCAS. ..................................................................................... 47

6.1.5 METODOLOGA UTILIZADA........................................................................................ 48

7. MTODOS PARA ELEVAR LA VIDA DE UTIL DE LA FORTIFICACIN DE MADERA. .............................................................................................................................. 55

8. RESULTADOS Y ANLISIS.............................................................................................. 57

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................... 60

10. BIBLIOGRAFA................................................................................................................ 62

LISTA DE TABLAS.

TABLA 1. RECURSOS CARBONFEROS DE LA MINA EL BLOQUE. ................................ 17

TABLA 2 COEFICIENTE DE CALIDAD CONSTRUCTIVA PARA DIFERENTES MATERIALES. ....................................................................................................................... 22

TABLA 3 VALORES PROMEDIO DE LAS PROPIEDADES FSICO-MECNICAS DEL PINO. ..................................................................................................................................... 29

TABLA 4.RESISTENCIA A LA TENSIN DE ALGUNOS MATERIALES. ............................ 30

TABLA 5. ETAPAS PARA EL DISEO DE ADEMES ........................................................... 43

LISTA DE FIGURAS.

FIGURA 1. ESQUEMA GENERAL DE EXPLOTACIN MINA EL BLOQUE. ....................... 18

FIGURA 2 CORTE TRANSVERSAL DEL TRONCO DE UN RBOL. .................................. 23

FIGURA 3.EFECTO DEL MEDIO AMBIENTE EN EL CONTENIDO DE AGUA DE LA MADERA. .............................................................................................................................. 26

FIGURA 4 DEFECTOS ESTRUCTURALES Y NATURALES EN LA MADERA. .................. 27

FIGURA 5.TENSIONES PERMISIBLES SEGN TSIMBAREVICH...................................... 29

FIGURA 6.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIN Y LA DIRECCIN DE LA FIBRA......................................................................................................................... 31

FIGURA 7.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIN Y LA DENSIDAD RELATIVA. ............................................................................................................................ 31

FIGURA 8.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIN Y EL CONTENIDO DE HUMEDAD....................................................................................................................... 32

FIGURA 9.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN(O APLASTAMIENTO) DE LA MADERA DE PINO Y EL NGULO DE FIBRA. ........................ 33

FIGURA 10.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN(O EL APLASTAMIENTO) Y LA DENSIDAD RELATIVA A DIFERENTES CONTENIDOS DE HUMEDAD............................................................................................................................. 34

FIGURA 11.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN(O APLASTAMIENTO) Y EL CONTENIDO DE HUMEDAD PARA VARIAS ESPECIES ARBORCOLAS..................................................................................................................... 34

FIGURA 12.EFECTO DE LA HUMEDAD EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN(O APLASTAMIENTO) DE LA MADERA. ..................................................... 35

FIGURA 13.HUMEDAD VS. CAPACIDAD DE SOPORTE DE CARGA DE LA MADERA. .............................................................................................................................. 35

FIGURA 14.RESISTENCIA AL PANDEO(O PANDEO) DE LA MADERA GENERALMENTE EMPLEADA EN LAS MINAS. ................................................................. 36

FIGURA 15.EFECTOS DE LA DIRECCIN DE LA FIBRA SOBRE LA RESISTENCIA ALA TENSIN, COMPRESIN, Y FLEXIN DE LA MADERA............................................ 37

FIGURA 16.EFECTOS DE LA HUMEDAD Y DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA ALA FLEXIN DE LA MADERA................................................................... 38

FIGURA 17 DIMETRO DE NUDOS VERSUS ESFUERZO FLEXIONANTE..................... 38

FIGURA 18.EFECTOS DE LA DURACIN DE LA CARGA EN LA RESISTENCIA A LA FLEXIN EN LA MADERA.................................................................................................... 39

FIGURA 19.EFECTO DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE EN LA MADERA........................................................................... 40

FIGURA 20.ESQUEMA DEL CLCULO DE LA PRESIN ACTUANTE POR EL TECHO SEGN PROTODIAKONOV................................................................................... 41

FIGURA 21.REACCIONES Y CARGAS PRESENTES EN UNA FORTIFICACIN TRAPEZOIDAL...................................................................................................................... 41

FIGURA 22.PARTES PRINCIPALES DE PUERTAS DE MADERA DE SOSTENIMIENTO. ................................................................................................................ 44

FIGURA 23.TIPOS DE REFUERZO PARA PUERTAS DE MADERA. ................................ 46

RESUMEN

Autor: Yuver Daro Ramrez lvarez.

Director: Jorge Martn Molina Escobar

Trabajo Dirigido de Grado, Ingeniera de Minas y Metalurgia

Facultad de Minas

Universidad Nacional de Colombia Sede Medelln

Realizado en el Semestre 01 2009

La empresa C.I Carminales, localizada en el municipio de Fredonia, es una mina que se dedica a la explotacin de carbn mineral procedente de la cuenca carbonfera del Sinifan. En su afn de incrementar su nivel tcnico y de mecanizacin, ha decidido realizar un estudio general al tipo de sostenimiento o fortificacin. Actualmente en su mayora de trabajos, que consiste en ademes de madera tipo puerta alemana; la empresa quiere saber si este tipo de sostenimiento es adecuado para sus trabajos con el fin de brindarle la mayor seguridad posible a sus trabajadores en la explotacin, vas de transporte, entre otros, teniendo en cuenta tambin que en la mina, debido a la formacin geolgica donde se encuentran los mantos explotados, se presentan rocas encajantes poco competentes por lo que la cada o desprendimiento del techo representa un peligro potencial.

Este proyecto se inicia por la necesidad de estudiar las propiedades generales de la madera empleada para la fortificacin de vas en minera, y para evaluar el manejo de la madera en la empresa, determinando puntos crticos, observando algunas ventajas y desventajas en su utilizacin; en el clculo de las dimensiones del sostenimiento, y para ello se trabajaron aspectos muy tericos que despus fueron comparados con las condiciones de la empresa. Con el presente trabajo se analizaron varios parmetros que influyen en el sostenimiento de minas como la evaluacin de presiones y cargas actuantes tanto por el por el techo (verticales) como las laterales(horizontales), capacidades de soporte de postes, y se graficaron algunos ensayos de maderas representando curvas de esfuerzo contra deformacin con varios contenidos de humedad, para as analizar su comportamiento en diferentes lugares de la mina, al realizar los modelos tericos y compararlos con las condiciones actuales de la mina se obtuvieron resultados muy satisfactorios, por ltimo se realizan unas recomendaciones importantes sobre el manejo del recurso maderero a fin de aumentar la vida til, teniendo conceptos de racionalizacin y tratando se disminuir el consumo de madera en la empresa, adems se trata de determinar las caractersticas y requisitos generales que debe cumplir la madera para ser utilizada en los diferentes sitios de trabajo segn las diferentes necesidades y requerimientos especficos de estos.

PALABRAS CLAVES: Sostenimiento, ademes, fortificaciones mineras, madera.

ABSTRACT.

Autor: Yuver Daro Ramrez lvarez.

Director: Jorge Martn Molina Escobar

Trabajo Dirigido de Grado, Ingeniera de Minas y Metalurgia

Facultad de Minas

Universidad Nacional de Colombia Sede Medelln

Realizado en el Semestre 01 2009

C.I Carminales is a company, located in the town of Fredonia, Antioquia - Colombia, is a mine that is dedicated to the extraction of coal from the coalfields of Sinifan. In an effort to increase its technical level and mechanization, has decided to conduct a comprehensive study of the type of support. Currently the majority of work, which is in addition to wood type door German, the company wants to know if this kind of support is appropriate for their work in order to provide the greatest possible security for their workers in the explotation, transportation, among others.

Taking into account also that in the mine, due to the geological formation where the mantles are exploited, there are little rocks over the explotation, responsible for the fall or dislodgement of the roof represented a potential danger. this project was initiated by the need to study the general properties of the wood used for the fortification of roads in mining and to evaluate the management of wood in the company, identifying critical points, having some advantages and disadvantages in their use in calculating the dimensions of support, and this worked very theorists who were then compared with the conditions of the company. In this paper we analyzed several parameters that influence the support of mine as the assessment of pressures and loads acting on both, the roof (vertical) and lateral (horizontal), abilities, support poles, and some trials are graphically depicted timber representing efforts against deflection curves with various humidity contents, to analyze its behavior in different places of the mine, to make theoretical models and compare with current conditions in the mine were very satisfactory results, is finally done some important recommendations about the management of timber resources to enhance life, taking concepts are trying to rationalize and reduce the consumption of wood in the company also seeks to identify the characteristics and requirements to be met for the wood used in different work sites according to different needs and requirements specific to these.

KEY WORDS: Support, Design of support in mines, wood.

1. INTRODUCCIN

El presente trabajo, en su primera parte trata de definiciones bsicas, algunos materiales empleados en fortificaciones pero realizando un especial nfasis en la madera y en su composicin qumica, despus se realizan algunos recuentos de las caractersticas ingenieriles de la madera empleada en las minas, efectuando una comparacin de las principales ventajas y desventajas.

Consecuentemente, se nombran los principales factores que me afectan la madera, sus principales defectos de carcter natural, para ya entrar a comentar sobre las propiedades generales de la madera para despus adentrarnos en las propiedades fsico-mecnicas como resistencia al esfuerzo cortante, a la tensin, compresin, pandeo, flexin , entre otros detallando su comportamiento al involucrar diversas variables.

Ya por ltimo se evalan las presiones sobre el ademe o entibado, observando esquemas y parmetros para el clculo del diseo de fortificaciones, describiendo la utilidad de los diversos implementos empleados en una fortificacin de madera especial para minera.

Despus se resean algunas caractersticas que se tuvieron en cuenta para el diseo del ademe de madera, tambin se anexan unas plantillas o hojas tcnicas de la madera que se emplea generalmente en la mina y al finalizar se describen algunos mtodos para elevar la vida til o la vida de servicio, de fortificaciones de madera que se emplean en algunos pases.

1.1OBJETIVOS.

1.1.1 OBJETIVO GENERAL

Estudiar, disear y evaluar el estado actual de los ademes de madera en la mina de acuerdo a recopilaciones bibliogrficas.

1.1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Analizar las condiciones actuales del sistema fortificacin de la mina

Crear una metodologa de trabajo.

Medir las variables que intervienen en el proceso de caracterizacin del sistema de sostenimiento de la mina.

Formular varias propuestas para mejorar el sistema de ademes de madera en la mina.

1.1.3 ALCANCES

Presentar soluciones, tcnica y econmicamente viables para mejorar los inconvenientes que conlleva fortificar con madera, el cual es el principal tipo de sostenimiento que presenta la mina El Bloque. Traer beneficios con el amplio conocimiento del tipo de sostenimiento que se presenta en la mina, para as ayudar a tomar una mejor decisin para disminuir costos en el sistema de fortificacin proporcionando las bases para seguir mejorando el sostenimiento de la mina.

2. DESCRIPCION DE LA MINA EL BLOQUE

El titular de contrato de exploracin y explotacin No 05-001-98 es la empresa GEOMINAS S.A., quien desde hace mas 20 aos ha explotado el carbn mineral, este tipo de carbn es caracterizado como bituminoso, y presenta un poder calorfico de 11.000 BTU, actualmente la empresa posee una produccin aproximada de 7.000 toneladas mensuales y cuenta con un personal de 200 trabajadores distribuidos en 2 turnos.

2.1 UBICACIN Y CLIMA.

Segn GEOMINAS (2002)

La mina El Bloque est localizado en la vereda de Jons del municipio de Fredonia, departamento de Antioquia, y tiene una extensin de 289,16 Ha El acceso al lugar de la explotacin se hace desde Medelln por la va conocida como la Troncal del Caf hasta el corregimiento de Camiloc; se contina por la carretera que conduce al municipio de Fredonia y a unos 5 Km se desva hacia la izquierda para llegar a la mina El Bloque.

El clima de la zona se caracteriza por tener una temperatura promedio de 24C y una precipitacin de 2.000 mm. La bocamina se encuentra en la cota 1181 m.s.n.m.

2.2 GEOLOGA


2.2.1 GEOLOGA REGIONAL

A nivel regional se distinguen tres unidades litolgicas principales que estn constituida por la Formacin Amag o Terciario Carbonfero de Antioquia, que est limitada al Este por rocas paleozoicas del Complejo Polimetamrfico o Grupo Ayur Montebellos de la Cordillera Central y tambin por el Stock Grantico de Amag. Esta composicin geolgica esta complementada con depsitos de vertiente y aluviales que ocurren en laderas y drenajes principales.

2.2.2 GEOLOGA LOCAL

En el rea del contrato se distinguen una unidad morfolgica caracterizada por pendientes moderadas, de geoformas redondeadas, controladas por las pendientes estructurales que se inclinan hacia l SE y que estn constituidas por suelos residuales o por los estratos del basamento rocoso.

Los predios del contrato estn conformados geolgicamente en su mayor extensin por las rocas o estratos del Terciario Carbonfero de Antioquia o Formacin Amag y por coberturas recientes compuestas por depsitos de flujo de lodo y escombros y depsitos aluviales restringidos a los cauces principales. La descripcin de los estratos geolgicos desde el ms reciente hasta el ms antiguo es:

Depsitos de flujo de lodo: Estn distribuidos en toda el rea, aunque restringidos a zonas de antiguos y actuales asentamientos del terreno. Los flujos constituyen cobertura de materiales transportados por gravedad aprovechando las inclinaciones del terreno en el sector y depositados a lo largo de las laderas, estos materiales lluviosos; su composicin es preferiblemente arcillosa de consistencia plstica; su espesor es desconocido.

Depsitos Aluviales: En general, se encuentran restringidos al cauce de la quebrada Piedras Verdes; estn constituidos por cantos polimcticos de rocas gneas y volcnicas, esquistos y otras sedimentarias en una matriz arenosa.

Formacin Amag o Terciario Carbonfero de Antioquia: Toda la extensin del rea del contrato est cubierta por las rocas del Terciario Carbonfero de Antioquia o Formacin Amag, en especial por los Miembros Medio o Carbonfero y el Superior; una pequea franja de los estratos del Miembro Inferior aflora adyacente al eje de un anticlinal fallado detectado hacia el extremos oriental del rea y en el extremo sureste de la quebrada Piedras Verdes (por fuera del rea del contrato).

Miembro Superior: Aflora hacia la parte Occidental del rea; este miembro se caracteriza por estar formado por una secuencia montona de areniscas y limonitas arcillosas dispuestas en estratos nter estratificados muy potentes y homogneos de color gris y tambin como gradaciones.

Miembro Medio: Es el nivel productivo de la Formacin Amag, caracterizado por la presencia de varias cintas de carbn y mantos explotables. Su composicin litolgica consta de areniscas, limonitas, arcillolitas y mantos de carbn; en esta secuencia son comunes los cambios de facies entre areniscas y arcillas.

Se encuentran alojados en este miembro tres mantos de carbn con mayor importancia econmica en el rea del contrato, que se extraen en la mina vecina Carbones Nech y corresponden a los mantos superiores de la secuencia regional de la cuenca con espesores entre 1.10 y 1.40 m.

Miembro Inferior: La exposicin del miembro inferior en el rea del contrato est muy restringida hacia la quebrada Piedras Verdes en el extremo suroeste y en el flanco Este del anticlinal fallado, donde las fallas F3 y el sinclinal F4 ponen en contacto este miembro con el inferior. Se caracteriza por presentar una secuencia potente de areniscas conglomeraticas y limonitas arcillosas.

Complejo Polimetamrfico de la Cordillera Central: Se localiza en el extremo noreste del contrato y constituye un cuerpo alargado con direccin norte-sur, que est en contacto fallado con las rocas sedimentarias de la formacin Amag a travs del sobre escurrimiento de Piedecuesta. Su edad ha sido estimada como paleozoica en los estudios regionales.

2.2.3 GEOLOGA DE LOS MANTOS DE CARBN

Los mantos tienen una clara continuidad estructural tanto en el buzamiento como en el rumbo, especialmente en el sector comprendido por las estructuras mayores: entre el eje del sinclinal Amag y el anticlinal fallado. La descripcin detallada de los mantos es:

Manto La Capotera: Es el manto superior de la secuencia; aunque no se le conocieron manifestaciones superficiales en el rea del contrato. Es un manto muy irregular, discontinuo en el rumbo y con espesores muy variables, por lo que no se considera explotable.

Manto 1: Es el ms atractivo de la secuencia debido a su espesor y constituye una clara gua de correlacin por causa de la presencia constante de intercalacin arcillosa a 29 cm de su techo.

Manto 2: Se encuentra normalmente entre 1.4 y 16 m estratigrficos por debajo del Manto 1; su espesor vara entre 1.0 m a 1.35 m. El manto carece de intercalaciones, pero localmente puede presentar hacia el piso dos intercalaciones de Lutita de 2.9 y 6.8 cm.

Manto 3: Esta situado a unos 14 m por debajo del Manto 2; su espesor alcanza los 1.21 m y carece de intercalaciones.

2.2.4 RECURSOS DE CARBN

Para el clculo de los recursos geolgicos correspondientes al rea del contrato 05-001-98 se consideraron nicamente las capas de carbn donde se puede desarrollar tcnicamente la explotacin, esto corresponde a los mantos 1, 2 y 3 con un espesor acumulado de 3.67 m. Estos clculos se limitan al bloque o sector correspondido entre el lmite occidental del contrato y la traza de la Falla 2, a partir de la cual se defini la ausencia de estos mantos hacia el oriente. Los recursos de carbn medidos en este bloque se muestran en la Tabla 1:

Recursos Bsicos (ton) Manto

Medidos Indicados Inferidos

1 596.988 913.862 827.363

2 498.454 1.033.596 978.572

3 445.810 895.889 855.443

TOTAL 1.541.253 2.843.348 2.661.378

TABLA 1. RECURSOS CARBONFEROS DE LA MINA EL BLOQUE.

Fuente: GEOMINAS (2002)

2.3 MINERA.

Los mantos actualmente en explotacin son manto 1 2 y 3, los cuales tienen un espesor promedio de 1.3 m. El acceso al manto 1 se realiza a travs una cruzada de rea 3.69 m2 y 60 m de longitud, donde se desarrolla el 70% de la explotacin. Al manto 3 se accede a travs de una cruzada en roca de 124 m de longitud, la cual parte del nivel 10. A lo largo de la cruzada se corta el manto 2, el cual se haba explotado anteriormente.

La mina se distribuye en clavadas de transporte, las cuales se utilizan para el transporte de carbn desde los frentes de explotacin a la bocamina. Niveles, que sirven para acceder a los tambores de explotacin de donde se extrae el carbn. Contra niveles que se utilizan para llevar o devolver el aire de los tambores de explotacin y extremos finales de los niveles. La mina tiene activo el siguiente desarrollo de galeras: 4 clavadas de transporte, 7 niveles y 5 contra niveles y un subnivel de ventilacin, 2 clavadas para el trnsito de personal.

El mtodo de explotacin usado es el de V invertida (ver Figura 1), el cual es una adaptacin del mtodo de cmaras y pilares, el cual se inicia desarrollando desde la clavada de transporte. Cada 15 m se hacen tambores de produccin para preparar los bloques de explotacin. La distancia entre niveles es de 120 m, de los cuales 40 m son considerados como pilar barrera para proteger las vas de transporte y niveles de los esfuerzos inducidos por la explotacin y los otros 80 m son explotados.

FIGURA 1. ESQUEMA GENERAL DE EXPLOTACIN MINA EL BLOQUE.


A continuacin se describen las operaciones unitarias y auxiliares realizadas en la mina:

2.3.1 ARRANQUE DEL MINERAL.

Durante el avance de las labores mineras se producen dos tipos de material: el carbn mineral y el material estril, procedente de la roca encajante de los estratos carbonferos. En los frentes productivos, en la mayora de los casos, el carbn se arranca mediante picos (manual); pero en aquellos casos en los cuales la dureza del carbn no lo permite se hace con explosivos, se usa ANFO e Indugel, con un consumo especifico de 0.9 Kg por voladura en los frentes de explotacin. El desarrollo de la mina se hace con perforacin y voladura. La perforacin es elctrica con barrena helicoidal y en su mayora se realiza en carbn.

2.3.2 CARGUE DEL MINERAL

El cargue de material se limita al carbn, ya que se produce poco estril y se evita transportarlo a superficie. Lo que se produce en estril se almacena en bolsillos hechos en carbn y de 10 m de longitud. Dentro de la mina el cargue se da por tres sectores principales: en los frentes de arranque productivo, en las intercepciones del tambor con el nivel del mismo y en las tolvas de almacenamiento interno.

2.3.3 TRANSPORTE DEL MINERAL

El carbn se transporte mediante canales de PVC (polivinilo de cloruro) desde los frentes de explotacin a los niveles, desde los niveles el carbn se lleva en coches hasta las clavadas principales y de estas se transporta en coches jalados por malacates a superficie. Los coches utilizados son tienen capacidad para 1.2 toneladas de carbn.

2.3.4 SOSTENIMIENTO

En la mina la mayor parte del sostenimiento se hace con madera tipo pino patula, pino ciprs o eucalipto. En las clavadas principales, cruzadas y niveles de explotacin se asegura mediante puertas alemanas cuya densidad depende de las condiciones de inestabilidad del techo. En promedio puede considerarse la instalacin de una puerta por cada metro de avance, en los frentes de explotacin se sostiene con tacos de pino y guadua acompaado de tablas (orillo) usados provisionalmente para mantener segura la explotacin, estos se distribuyen aproximadamente un taco por metro cuadrado de techo.

2.3.5 VENTILACIN SECUNDARIA

En los diferentes frentes de avance, el aire se hace llegar mediante la instalacin de ventiladores auxiliares en los niveles y clavadas, lo ms cerca posible de dicho frente, conectados a ductos plsticos que parte de cada ventilador; por lo general de 18 pulgadas de dimetro. Las otras galeras son ventiladas por el circuito principal de ventilacin.

2.3.6 ILUMINACIN

Todo el personal de la mina se le entrega una lmpara para su iluminacin personal

2.3.7 BOMBEO DE AGUA

En la operacin existen 5 estaciones de bombeo de agua usadas para sacar el agua de los niveles a la superficie y no tener acumulaciones internas de agua.

En la explotacin laboran aproximadamente 100 personas en un turno de trabajo, se trabajan dos turnos por da de 8 horas cada uno, empezando a las 6:00 am y terminando a las 2:00 pm el primer turno, el segundo empieza a las 3:00 pm y termina a las 11:00 pm.

3. GENERALIDADES SOBRE EL SOSTENIMIENTO DE MINAS.

A continuacin se presentan algunas variables o parmetros importantes a considerar en el sostenimiento de minas, algunos materiales empleados y comparaciones realizadas con la mina.

3.1. SOSTENIMIENTO

La fortificacin o sostenimiento de minas es una construccin artificial que se hace en las excavaciones subterrneas para prevenir la destruccin de las rocas circundantes y preservar las dimensiones de la seccin transversal. La fortificacin de minas, como una obra ms de ingeniera, debe satisfacer una serie de exigencias tcnicas, productivas y econmicas.

Es decir el entibado debe ser simple, fuerte, barato, y efectivo.

3.1.1 EXIGENCIAS TCNICAS.

Debe ser resistente: la fortificacin debe estar capacitada para asimilar carga que sobre ella va a actuar.

Debe ser estable: la fortificacin debe conservar la forma que se le proyecta aun bajo la accin de las cargas.

Debe ser duradera: Su vida de servicio debe estar acorde con la vida de servicio de la excavacin.

3.1.2 EXIGENCIAS DE PRODUCCIN.

Debe ofrecer la menor resistencia posible al paso del aire.

Debe ocupar en la excavacin el menor espacio posible.

Debe ser segura ante el peligro de incendio.

No debe entorpecer los procesos productivos.

Debe estar constituida por elementos que se puedan preparar en la superficie y que se puedan instalar por medios fciles o mecanizados.

3.1.3 EXIGENCIAS ECONMICAS.

El costo inicial y los gastos de mantenimiento durante el periodo de explotacin deben ser mnimos.

La mayora de trabajos de fortificacin de las excavaciones mineras son costosos, laboriosos y los menos mecanizados de todos los ciclos del laboreo, por eso es sumamente importante, si es necesario fortificar una excavacin elegir correctamente la construccin de la fortificacin, la cual no debe ser solamente econmica, sino que adems asegure las condiciones de trabajo en la excavacin, durante el transcurso de todo el plazo de servicio.

La fortificacin de las minas se clasifica segn una serie de criterios:

Tipo de material usado en su construccin (madera, hormign, armado de metal, entre otros).

Carcter de su trabajo: rgida, flexible.

Caracterstica constructiva: fortificacin de cuadro o continua.

Vida de servicio: fortificacin temporal o permanente.

Condiciones de trabajo: condiciones normales y condiciones especiales.

Por el tipo de excavacin: excavacin permanente, preparatoria o de arranque.

3.2 MATERIALES DE SOSTENIMIENTO.

Para la fortificacin en minera hay que tener en cuenta las condiciones donde se van a trabajar (carga variable con el tiempo, accin de la atmsfera minera, agua subterrnea, limitacin de espacio, entre otros.), por eso en lo posible debemos emplear materiales lo ms ligeros posible, y que ocasionen poco trabajo a la hora de instalar la fortificacin; los materiales que se empleen debe poseer alta resistencia, tener un costo no muy alto, ser estables y duraderos.

Para la valoracin de las cualidades constructivas de un material, se emplea el llamado coeficiente de calidad constructiva X- el cual se calcula por la siguiente expresin:

IR

Xv

c *=

Donde:

X= coeficiente de calidad constructiva

Rc =limite de resistencia a compresin del material [MPa]

v =masa volumtrica [kg/m^3]

I=longitud del elemento.

En este caso para elementos con una longitud de 1 m tenemos que:

Coeficiente de calidad Limite de clculo de la resistencia

Constructiva Material Masa Volumtrica

Compresin Traccin Compresin Flexin

kg/m3 [MPa] [MPa] [MPa] [MPa]

Pino 700 13 10 0,019 0,019

Acero ct 0,5 7850 270 270 0,034 0,034

Madera

plastificada 1300 106 250 0,082 0,13

TABLA 2 COEFICIENTE DE CALIDAD CONSTRUCTIVA PARA DIFERENTES MATERIALES.

Como vemos la resistencia de la madera (pino), que es la que empleamos en la mina conjuntamente con el eucalipto, tiene un valor bajo de coeficiente de calidad constructiva, lo que no es bueno para fortificar excavaciones con un plazo largo de servicio, adems las condiciones de la mina hacen que la vida til o de servicio de la madera no sean muy grandes, hay que aclarar que en todos los sectores de la mina no se presentan las mismas condiciones por lo que en algunas partes la madera podra ser la mejor opcin.

Por estas razones es que al elegir el material de fortificacin, deben valorarse todo un conjunto de aspectos: vida til o plazo de servicio, magnitud y forma que acta la presin minera, condiciones en que se va a trabajar la fortificacin y el factor econmico.

3.3 COMPOSICIN DE LA MADERA

La madera es una materia que como cualquier ser vivo est compuesta ntegramente por clulas (unidas mediante una membrana de lignina) que le proporcionan las diferentes propiedades fsico-qumicas, formando adems la unidad bsica de su constitucin. Las clulas de la madera son elementos complejos que se encuentran formados por dos tipos de componentes (Primarios y Secundarios), y cuyas cantidades varan segn el tipo de rbol de que se trate. Los elementos llamados Primarios, estn compuestos por celulosa que es un polisacrido que forma las paredes de las clulas de la madera, estas clulas se llaman fibras, y la lignina es una sustancia cementante de la madera, el cual es un polmero de unidades de fenilpropano, la pectina es un material gelatinoso y feculento que une las paredes de las clulas y es muy susceptible a la hinchazn y al a contraccin, como resultado del contacto con agua. Los elementos llamados Secundarios son importantes impregnaciones, extraas a la propia pared celular,

FIGURA 2 CORTE TRANSVERSAL DEL TRONCO DE UN RBOL.

Las clulas vivientes forman una capa delgada, en el exterior precisamente debajo de la corteza del rbol, ao tras ao estas capas mueren y forman los estratos o capas de edad, que es la parte dura de la madera que es la seccin esencial de la misma.

Estructuras fibrosas.

Tambin est compuesta por otras sustancias como el duramen, que es la parte inmediata a la mdula o corazn, formado por madera dura y consistente impregnada de tanino y de lignina, que le comunica la coloracin rosa.; La albura que es denominada la madera joven, posee ms sabia y se transforma con el tiempo en duramen al ser sustituido el almidn por tanino, que se fija en la membrana celular, volvindola ms densa e imputrescible y por ltimo la corteza cuya funcin es la proteccin y aislamiento de los tejidos del rbol de los agentes atmosfricos. La corteza es la cubierta protectora del rbol y puede variar de gruesa a delgada pero siempre es impermeable.

4 CARACTERISTICAS INGENIERILES DE LA MADERA EMPLEADA EN LAS MINAS.

Los ademes de madera, son todava un material bsico de soporte para muchas minas en donde no se utiliza el acero, generalmente por aspectos econmicos. La resistencia de la madera para las minas se estudia principalmente con respecto a los esfuerzos de tensin, compresin, flexin y esfuerzo cortante. La madera es un material de peso ligero, fcilmente transportable y que se maneja con facilidad en los sistemas de ademe.

Un caso especifico es el roble que tiene una densidad promedio de 0.73 g/cm3 y una resistencia a la flexin de 1200 kg/cm2, es 11 veces ms ligera pero 2 veces ms frgil que el acero. Esto hace que la madera sea un material econmico cuando se usa en ademes o fortificaciones cuya vida til sea corta.

La madera posee tanto ventajas como desventajas cuando se utiliza en las minas. Algunas de estas son:

4.1.1 VENTAJAS.

Es ligera ya que su peso es menor comparndola con otros materiales de sostenimiento como el acero, se transporta, corta maneja y coloca fcilmente como ademe en la mina. Cuando se somete a esfuerzos de compresin y traccin se rompe a lo largo de estructuras fibrosas precisas, dando seales visuales y audibles antes de que falle completamente (esto ha hecho que los mineros consideren a la madera con una ventaja sicolgica sobre el acero).Las piezas rotas si no estn muy deterioradas se pueden volver a emplear. Presenta un alto grado de deformabilidad, lo que permite, a pesar de ser constructivamente rgida, asimilar algunas deformaciones. En general tiene bajo costo, comparndola con otros tipos de fortificaciones.

4.1.2 DESVENTAJAS.

Las resistencias mecnicas (flexin, tensin, pandeo, compresin y cortante) dependen de las estructuras fibrosas y de los defectos naturales que son propios de la madera. La humedad tiene un efecto muy marcado en la resistencia. Muchos hongos afectan a la madera cuando hay condiciones de humedad disminuyendo considerablemente su resistencia, su relacin con otros materiales es poco duradera comparndola con otros tipos de fortificacin. Su instalacin en excavaciones que posean una seccin curva es muy compleja.

La madera es un material fcilmente combustible (4000-4500 caloras/gramo). Su resistencia al fuego es alta, ya que a su mala conductividad trmica se une la presencia de agua en su constitucin, lo que la hace an ms resistente hasta que la pierde.

4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA MADERA.

AGUA: el agua es el componente ms importante de la madera, alrededor del 25% del contenido del agua est en las clulas vivas y el 75% restante est en los huecos de las fibras.

Un rbol recientemente cortado contiene del 35% al 50% de agua. La perdida de agua en los huecos se debe al temperatura y a la humedad relativa del medio ambiente, por ejemplo en condiciones normales (20C y 80% de humedad relativa) el contenido de agua es cerca del 20%, se considera seca cualquier madera que tenga menos de esta cantidad o porcentaje de agua, mientras que la tenga ms de 30% de agua se considera hmeda, en la figura 3 podemos observar el efecto del medio ambiente en el contenido de agua de la madera.

FIGURA 3.EFECTO DEL MEDIO AMBIENTE EN EL CONTENIDO DE AGUA DE LA MADERA.

4.3 DEFECTOS DE LA MADERA.

Como material natural que es, la madera tiene muchas defectos causados por las condiciones de su crecimiento, los nudos, las bases de los rboles afectan la resistencia a la flexin, adems, los anillos de crecimiento pueden no estar concntricos debido a las condiciones del viento y del sol, y las condiciones de secado pueden formar grietas, en la figura 4 podemos observar algunos defectos estructurales y naturales en la madera.

FIGURA 4 DEFECTOS ESTRUCTURALES Y NATURALES EN LA MADERA.

Agentes atmosfricos expuestos en la mina

En algunos sectores se produce el debilitamiento estructural de la madera por exceso de humedad el cual se vuelve en un ambiente propicio donde proliferan los hongos, los cuales son vegetales inferiores de talla microscpica cuyo cuerpo est formado por filamentos llamados hifas. Se difunden por el aire por medio de esporas de color verde que se producen a millones (polinizacin Anemfila), y que germinan en cualquier lugar idneo para su desarrollo al cabo de una hora, repitindose el proceso de difusin y nueva germinacin. Se alimentan de sustancias orgnicas que transforman. Los que lo hacen de la madera -viva o muerta- se denominan hongos xilfagos y los hay de varios tipos segn afecten a sta, como por ejemplo los cromgenos, que son los responsables de modificar el color de la madera. Tambin llegan a afectar sus propiedades mecnicas y dinmicas. Para la subsistencia necesitan oxgeno, y una adecuada temperatura (20-25C) y abundante agua (humedad ambiente, 50-60% H.R.), y con estas condiciones pueden degradar la madera hasta su total destruccin.

4.4 PROPIEDADES GENERALES DE LA MADERA

Anisotropa: Comportamiento diferente en las tres direcciones del espacio (longitud, anchura, espesor), respecto a las presiones y fuerzas a que se vea sometida.

Las propiedades fsicas y mecnicas de la madera no son las mismas en todas las direcciones que pasan por un punto determinado. Podemos definir tres direcciones principales en que se definen y miden las propiedades de la madera, que son la axial, la radial y la tangencial. La direccin axial es paralela a la direccin de crecimiento del rbol (direccin de las fibras). La radial es perpendicular a la axial y corta al eje del rbol. La direccin tangencial es normal a las dos anteriores.

Elasticidad: La madera se deforma bajo presiones o compresiones, volviendo a su primitivo estado cuando estas dejan de actuar. Esta propiedad tambin est presente inclusive cuando la madera est seca.

Recordemos que si se pasa de la zona elstica a la zona plstica ya las deformaciones sern permanentes.

Plasticidad: Capacidad de deformacin al ser sometida a cargas pesadas durante cierto tiempo.

Higroscopicidad: Debido a su gran porosidad la madera absorbe o cede agua del y al ambiente que lo circunda, segn ste sea hmedo o seco. La madera no obstante posee una cierta cantidad de agua estimada en un 20% - 30% de su peso, muy difcil que la pierda totalmente.

Movimientos de traccin-turgencia: Por su anisotropa la madera se hincha y/o se contrae producindose variaciones dimensionales. Los efectos producidos por esta propiedad pueden evaluarse por ejemplo en torno a un 0.2 % en el sentido transversal, por cada 1% de variacin ambiental de la humedad relativa. Esta variacin es mucho ms importante en el sentido tangencial.

Propiedades Trmicas: Como todos los materiales, la madera se dilata con el calor y contrae al descender la temperatura, pero este efecto no suele notarse pues la elevacin de temperatura lleva consigo una disminucin de la humedad.

La transmisin de calor depender de la humedad, del peso especfico y de la especie. No obstante, se efecta mejor la transmisin en la direccin de las fibras que en las direcciones perpendiculares a sta.

Propiedades Elctricas: La madera seca es un buen aislante elctrico, su resistividad decrece rpidamente si aumenta la humedad. Para un grado de humedad determinado la resistividad depende de la direccin (es menor en la direccin de las fibras), de la especie (es mayor en especies que contienen aceites y resinas) y del peso especfico (crece al aumentar el mismo).

4.5 PROPIEDADES FSICO-MECNICAS DE LA MADERA.

Las propiedades fsico-mecnicas de cualquier variedad de madera estn condicionadas en gran medida por su humedad, habitualmente estas propiedades son referidas para la madera seca al aire o sea para aproximadamente un 15% de humedad, en la tabla 3 y figura 5 podemos observar algunas caractersticas generales de la madera empleada en la mina.

Limite de resistencia para la humedad de 15%,MPa Masa volumtrica para un

15% de humedad MADERA

g/cm3 a compresin segn

largo de las fibras

a flexin esttica a traccin segn

las fibras

Pino 0,53 44 79 110-160

TABLA 3 VALORES PROMEDIO DE LAS PROPIEDADES FSICO-MECNICAS DEL PINO.

Resistenciaacompresin ResistenciaaFlexin MPa MPaTipodeexcavacin Pino Roble Pino Robleexcavacionesporlasquepasaairefresco 10 9 11,5 10Excavacionespreparatoriasencondicionesmedias. 10 8 10,5 9Excavacionesenventilacin. 8 6 8,5 7

FIGURA 5.TENSIONES PERMISIBLES SEGN TSIMBAREVICH.

4.5.1 RESISTENCIA DE LA MADERA.

La madera en las minas est sujeta a la flexin, compresin, pandeo y al cizallamiento, a continuacin veremos una descripcin de estos tipos de propiedades.

4.5.2 RESISTENCIA A LA TENSION.

La resistencia mxima de la madera es a la tensin, especialmente la que es paralela a la estructura fibrosa.

Una madera con unas condiciones optimas de secado (12% aprox.) puede alcanzar un mximo de 3000 Kg/cm2, pero tenemos que tener en cuenta que la relacin de la direccin de la carga con el ngulo de la fibra tienen un efecto muy marcado en la resistencia a la tensin.

En la tabla 4 podemos observar la resistencia a la tensin de algunos materiales y en la figura 6 la relacin entre la resistencia a la tensin y la direccin de la fibra.

Resistencia a la tensin

Material

(Kg./cm2)

Alambre de acero 32000

Maderas conferas(pino) 500-1500

Maderas de hoja ancha 200-2600

Bamb 1000-2300

TABLA 4.RESISTENCIA A LA TENSIN DE ALGUNOS MATERIALES.

FIGURA 6.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIN Y LA DIRECCIN DE LA FIBRA.

La densidad tiene relacin positiva con respecto a la resistencia a la tensin, esto lo podemos observar en la figura 7 en la cual se muestra la relacin entre la resistencia a la tensin y la densidad relativa.

FIGURA 7.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIN Y LA DENSIDAD RELATIVA.

Por el contrario la humedad hace decrecer la resistencia a la tensin, muchos investigadores han indicado que por un aumento desde el 10% del contenido humedad, hasta el punto de saturacin de la fibra, la resistencia a la tensin disminuye linealmente como se muestra en la figura 8.

FIGURA 8.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIN Y EL CONTENIDO DE HUMEDAD

Segn el U.S Forest Products Laboratory (Laboratorio para productos forestales de Estados unidos), si hay un incremento de 1% en el contenido de humedad se reduce la resistencia a la tensin a lo largo de la fibra en casi un 3%.Segn muchos investigadores, la resistencia mxima a la tensin se alcanza cuando el contenido de humedad est entre el 8% y 10%.

Adems, los nudos y las muescas tambin reducen la resistencia de la madera, puesto que la fibra se deforma al pasar en torno a ellos, las fibras de los nudos forman un ngulo recto con las de madera.

4.5.3 RESISTENCIA A LA COMPRESION.

La mxima resistencia a la compresin desempea un papel importante en la utilizacin de la madera, para los maderos secados al aire la mxima resistencia a la compresin paralela al fibra alcanza en promedio solo cerca del 50% de la resistencia a la tensin a lo largo de la misma fibra, el comportamiento diferente de la madera a la tensin y a la compresin puede explicarse por su estructura fibrosa.

Las fibras bien cementadas y acuadas soportan esfuerzos a la tensin muy altos, sometidos a compresin probablemente se presente un pandeo inicial de las fibras individuales al empezar la ruptura.

El efecto del ngulo de carga con la direccin de la fibra es ms notable en la resistencia a la compresin que en la resistencia a la tensin, en la figura 9 podemos observar la relacin entre la resistencia a la compresin de la madera de pino y el ngulo de fibra.

Donde =contenido de humedad

FIGURA 9.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN(O APLASTAMIENTO) DE LA MADERA DE PINO Y EL NGULO DE FIBRA.

La resistencia a la compresin de la madera a lo largo de la fibra se incrementa con la densidad, esto lo podemos observar en la figura 10.

FIGURA 10.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN Y LA DENSIDAD RELATIVA A DIFERENTES CONTENIDOS DE HUMEDAD.

El contenido de humedad es el factor ms importante en la resistencia a la compresin de la madera. Como el agua se deposita entre las micelas, causa una reduccin en las fuerzas intercelulares de atraccin y por lo tanto en la cohesin.

A continuacin en la figura 11 se muestra la relacin entre la resistencia a la compresin y el contenido de humedad en varias especies arborcolas:

FIGURA 11.RELACIN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN(O APLASTAMIENTO) Y EL CONTENIDO DE HUMEDAD PARA VARIAS ESPECIES ARBORCOLAS.

Despus de que el contenido de humedad alcanza alrededor del 18%, la resistencia no difiere mucho y se vuelve casi constante conservando ya una tendencia, pero el problema es que si tiene alto contenido de humedad el esfuerzo de compresin se me reduce a casi la mitad (para un 18% de contenido de humedad la madera reduce a casi la mitad la capacidad de soportar esfuerzo a compresin que si la madera estuviera seca.), este comportamiento lo podemos observar en la figura12.

FIGURA 12.EFECTO DE LA HUMEDAD EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESIN DE LA MADERA.

Tambin podemos observar el efecto marcado de la humedad en la disminucin de soporte de carga, despus del 15% de humedad el efecto ya casi no presenta importancia, ver figura 13.

FIGURA 13.HUMEDAD VS. CAPACIDAD DE SOPORTE DE CARGA DE LA MADERA.

El efecto de los nudos y de las muescas en la resistencia a la compresin no es tan grande como sobre la resistencia a la tensin, sin embargo, este problema no deber subestimarse.

4.5.4 RESISTENCIA AL PANDEO.

Esta resistencia se mide paralelamente a las fibras, en el eje de la madera, segn el dimetro y la longitud aproximada podremos calcular la resistencia al pandeo segn la siguiente tabla:

FIGURA 14.RESISTENCIA AL PANDEO DE LA MADERA EMPLEADA EN LAS MINAS.

4.5.5 RESISTENCIA A LA FLEXION O (MODULO DE RUPTURA).

Los maderos horizontales estn sujetos al esfuerzo a la flexin cuando las fibras superiores estn sometidas a compresin y las fibras inferiores a tensin. El eje neutro se sita ms cerca del lado de la tensin que del lado del a compresin, porque la resistencia a la tensin es mucho ms alta que la resistencia a la compresin.

El modulo de ruptura se mide cargando una viga en el centro, al cargarla, la deflexin se mide y se grafica, despus se compara y se concluye que hay varias zonas de deformacin, la primera es la zona elstica en donde la carga y la deflexin son proporcionales despus esta relacin continua pero en menor grado, hasta que se rompe la fibra ms alejada, la ruptura no es repentina, si no que se propaga de fibra a fibra deformando el madero.

Este comportamiento tpico o caracterstico de la madera por eso es que da indicaciones visuales y auditivas previas a la fractura, mientras la madera soporta aun cierta carga, lo que da tiempo suficiente para cambiar oportunamente los ademes en las minas

La direccin u orientacin en relacin con la carga, afecta tambin el esfuerzo a flexin. Ver figura 15,16.

FIGURA 15.EFECTOS DE LA DIRECCIN DE LA FIBRA SOBRE LA RESISTENCIA A LA TENSIN, COMPRESIN, Y FLEXIN DE LA MADERA. (Podemos ver que la resistencia a la compresin es la menos afectada por la direccin de la fibra.)

FIGURA 16.EFECTOS DE LA HUMEDAD Y DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA A LA FLEXIN DE LA MADERA.

En la figura anterior podemos ver que se presenta una reduccin proporcional o de carcter lineal.

FIGURA 17 DIMETRO DE NUDOS VS. ESFUERZO FLEXIONANTE.

Los nudos reducen considerablemente los mdulos de ruptura de la madera si se localizan en la zona de tensin, cerca de la seccin transversal critica, tambin podemos observar que el dimetro de los nudos reduce considerablemente la resistencia a la flexin, observar figura 17. La duracin de los esfuerzos (fatiga) afecta gradualmente de la madera y podemos observar que la capacidad de soporte por carga en la madera, baja a 60% despus de 10 a 20 das. Observar figura 18.

FIGURA 18.EFECTOS DE LA DURACIN DE LA CARGA EN LA RESISTENCIA A LA FLEXIN EN LA MADERA.

4.5.6 RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE.

La resistencia mxima al cortante de la madera es notablemente ms bajo que la resistencia a la torsin. Segn el Wood Handbook (Manual de la madera), para elementos de madera slida, el cortante mximo permisible por torsin puede tomarse como el esfuerzo cortante paralelo al a fibra, y pueden utilizarse 2/3 de este valor como el esfuerzo cortante permisible por torsin en el lmite proporcional. El esfuerzo cortante perpendicular a la fibra, es alrededor de tres a cuatro veces ms alto que el paralelo a la fibra. Observar figura 19.

FIGURA 19.EFECTO DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE EN LA MADERA.

5 PRESIONES EN LOS ADEMES DE MADERA.

A continuacin se enumeran los principios bsicos y consideraciones que se deben tener en cuenta para evaluar o cuantificar la presin que se ejerce sobre el entibado, el clculo de estos parmetros esta soportado en archivos adjuntos de Microsoft Excel.

5.1 EVALUACION DE PRESIONES.

Existen dos principios en el diseo de ademes de madera:

1-Los ademes debern soportar las cargas con seguridad.

2-La cantidad de material y de mano de obra se deber restringir a un mnimo (factor de economa).

5.2 PRESIONES EN GALERIAS.

Segn muchos investigadores, la presin en un tnel o galera tiene la forma de una bveda (domo) parablico. (Cemal, 1987) En los fundamentos tericos se presentan una serie de ecuaciones que sern mostradas en el archivo adjunto de Microsoft Excel. En la evaluacin de presiones en galeras intervienen formulas tericas las cuales son demasiado complicadas e intervienen muchas variables, por eso se emplean formulas que me arrojan valores aproximados.

FIGURA 20.ESQUEMA DEL CLCULO DE LA PRESIN ACTUANTE POR EL TECHO SEGN PROTODIAKONOV.

FIGURA 21.REACCIONES Y CARGAS PRESENTES EN UNA FORTIFICACIN TRAPEZOIDAL.

CARGA EN TECHO Y LADOS.

Consideracin: Las presiones laterales en la roca dura son muy pequeas o insignificantes (por lo cual solo se empleara carga por el techo), en cambio en rocas fracturadas ejercen una presin lateral hasta dos veces superior a la carga de techo.

En esta imagen podemos observar el efecto de la presin lateral en las puertas de

madera.

6 CONSIDERACIONES PRCTICAS PARA EL DISEO DE ADEMES

Cuando se observa el diseo de sistemas de soporte es necesario considerar un sin nmero de factores, estos incluyen:

o La calidad y propiedades (resistencia, deformacin, dependencia del tiempo, meteorizacin) de la roca encajante o circundante.

o Uniones, planos de corte y diaclasas.

o Condiciones hidrogeolgicas.

o Campo de esfuerzos

o Esfuerzos totales alrededor de la cavidad sin soporte.

o Deformaciones dependientes del tiempo.

o Puntos de vista buenos tcnica y econmicamente.

Etapas para el clculo del diseo de ademes:

ILUSTRACION 5. ETAPAS PARA EL DISEO DE ADEMES

La forma ms representativa de la fortificacin de madera en las excavaciones horizontales es la de cuadro o portada. El cuadro o portada consta de un sombrero o Capiz y de los peones o apoyos tambin conocidos como palancas, algunas veces cuando se presenta afloramientos por el piso como consecuencia de presiones laterales, se colocan soleras, esto nicamente cuando se presentan presiones mineras en este tipo de direccin.

Sistema de ademe

Experiencia, conocimientos tcnicos

Ecuaciones y mtodos matemticos

Cargas tericas, hiptesis; mediciones in situ

Verificacin de detalles, consumo ptimo del material

Simplificacin del sistema de ademe

Determinacin de las cargas que actan en el sistema

Anlisis esttico bajo las cargas que actan; reacciones de la seccin

Diseo para el mayor esfuerzo

Condiciones del techo, piso, material disponible, mano de obra

FIGURA 22.PARTES PRINCIPALES DE PUERTAS DE MADERA DE SOSTENIMIENTO.

a) cuadro sin solera. b) cuadro con solera.

La fortificacin de madera se usa mucho en secciones rectangulares y trapezoidales, aunque puede usarse tambin en secciones de forma poligonal y de formas irregulares.

Los elementos de fortificacin de madera habitualmente tienen forma circular con dimetros variables que pueden ir de 10 hasta 40 cm. Los cuadros de fortificacin pueden colocarse uno al lado del otro (fortificacin continua) o a una cierta distancia unos de otros (fortificacin espaciada). Esta distancia entre cuadros segn documentos encontrados oscila entre 0.5 y 1.2 m; esta distancia depende de los esfuerzos locales, cuando los empujes son muy fuertes se pueden colocar poco espaciados (las distancia es entonces del orden de 0.35 m, en casos ms favorables, no se debe sobrepasar nunca de 1.50 m).

Cuando empleamos la fortificacin espaciada, por lo general, el techo y las partes superiores de los lados, se encaman, es decir, se revisten con tablas, despus se rellenan con pedazos de roca los espacios que queden entre la roca y el encamado, lo cual, garantiza una distribucin ms uniforme de la presin minera y por ende un mejor trabajo de la fortificacin.

Cabezal = Capiz =Sombrero

Postes laterales = Palancas = Peones Solera

La fortificacin de madera habitualmente es rgida producindose solo una pequea flexibilidad a causa de las deformaciones que experimenta la madera, pero hay ocasiones que se hace til el empleo de cuadros que posean una cierta flexibilidad constructiva; en tales casos esto se puede obtener por una de las variantes siguientes:

Colocar entre el sombrero y los peones algunos elementos flexibles.

Afinar el extremo inferior de los peones para facilitar su penetracin en el piso, la cual puede llegar a 10-12 cm si la roca es blanda.

La fortificacin de madera con cuadros normales se emplea habitualmente en los casos en que la presin minera acta relativamente simtrica y no es muy grande, mientras que en aquellos casos en que la presin sea muy grande y el cuadro de fortificacin no sea lo suficientemente resistente se hace necesario usar los cuadros reforzados. Una de la formas de refuerzo que se emplea cuando la presin por el techo es grande es la que consiste en colocar un apoyo intermedio que se denomina mainel. Con esto la capacidad portadora de la fortificacin se eleva 3 o 4 veces, el problema con este elemento (el mainel), es que estorba mucho en la seccin de la excavacin. Otras formas de refuerzos que se utilizan, cuando acta presin minera con el techo y los lados, son aquellos que emplean las vigas de refuerzo por el techo y los lados.

En la figura 24 a, b, c, d, e, f podemos observar los diferentes tipos de refuerzo que se emplean en las puertas de madera.

FIGURA 23.TIPOS DE REFUERZO PARA PUERTAS DE MADERA.

Las desventajas de la fortificacin reforzada de madera son las siguientes:

o Alto consumo de madera.

o Disminucin significativa del rea til de la excavacin.

o Aumento de la resistencia al paso del aire.

Por estas desventajas es que en la mayora de los casos en que el cuadro normal no sea capaz de resistir la presin minera no se utiliza el cuadro reforzado de madera, sino que se pasa a fortificar con otro material ms resistente.

6.1 DISEO DE LOS ADEMES DE MADERA.

El diseo de los sistemas de ademes de madera sigue ciertos pasos: primero, se hacen esquemas del sistema, despus se evala la presin por diferentes formulas, despus se calculan los momentos, esfuerzos y las secciones que estn sometidas a estos momentos y a estos esfuerzos.

6.1.1 MARCOS DE MADERA EN LOS TUNELES.

El diseo de los marcos en los tneles consiste en encontrar el tamao o dimetro apropiado para los capis, palancas y revestimientos.

Se hallan cargas aproximadas que actan sobre el ademe, se hallan momentos flectores o de flexin, despus se calculan dimetros aproximados, y se obtiene tambin resistencias a compresin, despus se analizan de acuerdo a la carga dimetros aproximados de encamado o revestimiento (forro).

6.1.2 PARA EL MARCO DE MADERA.

El marco de madera trabaja como una viga simple que se apoya en ambos extremos con carga uniformemente distribuida.

6.1.3 PARA EL DISEO DEL CAPIZ DE MADERA.

La principal consideracin es que el cabezal est sujeto a flexin, el momento y esfuerzo se calculan en el archivo adjunto de hoja de Microsoft Excel.

6.1.4 DISEO DE LAS PALANCAS.

Los postes laterales de los ademes de madera estn sometidos a presiones de los lados y a las reacciones en sus extremos. Por lo tanto para su diseo se deber evaluar los esfuerzos a flexin y compresin.

Generalmente en la prctica, para los postes se utilizan los mismos dimetros que del cabezal, pero sin embargo, se verifican con otros clculos.

Tambin se tienen algunas teoras como las siguientes:

Postulado de M.M Protodiakonov: sobre el avance horizontal, en su techo se forma una bveda parablica de destrozamiento, el peso de las rocas contenidas dentro de esta bveda es numricamente igual a la magnitud de la presin subterrnea sobre la entibacin.

Algunas consideraciones:

Esta teora da resultados muy aproximados para rocas mullidas y sueltas, pero para rocas compactas por lo general los resultados son inferiores al valor real, pero ha tenido gran acogida en la prctica.

No tiene en cuenta los cambios de presin al crecer la profundidad del avance.

El carcter muy condicional del coeficiente f que participa en la formula y la carencia de mtodos confiables para su determinacin.

6.1.5 METODOLOGA UTILIZADA

Teniendo en cuenta reseas bibliogrficas de sostenimiento de minas se realizarn los clculos pertinentes para la mina el Bloque. Posteriormente se realizara un caracterizacin del estado actual en que se encuentra la madera del mina y al final con base en los clculos realizados y de todas las variables involucradas se har una evaluacin del estado de sostenimiento y un anlisis de los resultados, como ultimo se sacaran conclusiones y recomendaciones que la mina deber tener en cuenta.

Clculos.

La bibliografa existente de sostenimiento de minas es muy poca y la mayora presenta inconvenientes en el manejo de unidades y de traduccin al idioma espaol, debido a esto se escogi los fundamentos tericos propuestos segn Blanco(1993), ya que son de fcil entendimiento de los datos y las unidades se relacionan perfectamente.

Ejemplo

Calculo de una fortificacin de forma trapezoidal de madera cuando solo acta carga por el techo.

El revestimiento o forrado persigue los siguientes objetivos:

Seguridad: Se deben colocar ms juntos mientras mas dbil sea el terreno. Constituir un colchn o encamado amortiguador para repartir uniformemente la

presin de los terrenos sobre la puerta e impedir que las asperezas de la roca concentren localmente la presin (o presin de carcter puntual).

Agrega una cierta elasticidad al sostenimiento porque est constituido de madera menos resistente que trabaja perpendicularmente a las fibras puede comprimirse y permitir una deformacin de los terrenos durante el periodo que sigue a su colocacin, esta elasticidad se aumenta llenando con piedras el vacio entre la roca y el forro. Otra caracterstica importante es que el forrado asegura la elasticidad necesaria entre la puerta y las rocas.

7. MTODOS PARA ELEVAR LA VIDA DE UTIL DE LA FORTIFICACIN DE MADERA.

La vida de servicio de la fortificacin de madera depende de la variedad y calidad de la madera usada, de la humedad bajo la mina y de las condiciones de ventilacin.

Las medidas para aumentar la vida de servicio de la fortificacin de madera son:

o El empleo de madera sana y seca.

o La garanta de una buena ventilacin de la excavacin.

o La existencia de un buen drenaje para las rocas circundantes.

o En lo posible utilizacin de antispticos.

De las vas para aumentar la vida de servicio de la madera la ms usada es el tratamiento con antispticos, lo que aumenta la estabilidad, ante la pudricin y disminuye su capacidad de absorcin de agua, a causa de la cual una madera tratada con antispticos puede durar dos o tres veces ms que una sin tratar. El tratamiento con antispticos consiste en introducir en los poros de la madera una solucin qumica especial (el antisptico), la cual crea un medio en el que no se pueden desarrollar los hongos. El antisptico que se emplee debe ser lo suficientemente toxico para los hongos, pero no debe ser perjudicial para el hombre, adems debe conservar su toxicidad despus de un largo tiempo de tratada la madera, no afectar las propiedades fsico-mecnicas de ella y no provocar la corrosin en los elementos metlicos.

Existen muchos tipos de antispticos, sin embargo, para el tratamiento de la fortificacin de minas se emplean preferentemente antispticos en soluciones acuosas como son:

Fluoruro de sodio (FNa).

Cloruro de zinc (Cl2Zn).

Sillico-fluoruro de sodio (Na2S1F6).

8. RESULTADOS Y ANLISIS.

Se tomaron 23 muestras aleatorias representativas de maderos empleados para la elaboracin de puertas de madera, y dio como resultado 13 cm Aproximadamente, en los clculos hechos para carga que acta solo por el techo presentamos un factor de seguridad bastante alto (en los clculos realizados nos dio como resultado(8.6 cm), en la mina es 13 cm aproximadamente, si se presentara carga por techo y por los lados se estara cumpliendo con las expectativas(en los clculos realizados(12,65 cm.), en la mina es 13 cm aproximadamente. Para la carga que acta por techo y por los lados tambin se cumple con los requerimientos tericos (12.66 cm)

Dimetro de 23 muestras de maderos empleados en la mina.

En la mina principalmente se presenta carga por el techo, lo que nos indica que nos encontramos con un dimetro y longitudes ptimas de capiz de la madera empleada en la mina, todos los resultados se muestran en el archivo adjunto de Excel.

En los clculos realizados para el forro o revestimiento dio un espesor de 1.24 cm para el caso de la mina, generalmente los entibadores cortan el orillo (o fracciones de madera) del orden de 3 cm. lo que garantiza un revestimiento que cumple las condiciones.

Al comparar los resultados y fundamentos hallados tericamente, y confrontarlos con las condiciones de la mina se cumple de que:

EXIGENCIAS TECNICAS:

La fortificacin empleada en la mina est capacitada para asimilar carga que sobre ella va a actuar. Es estable, ya que conserva la forma que se le proyecta aun con accin de las cargas.

EXIGENCIAS DE PRODUCCION:

El estado actual de los niveles y otros sectores de la mina, en conjunto con la implementacin de la entibacin garantizan las medidas ptimas para:

9 Ofrecer la menor resistencia posible al paso del aire. 9 Ocupar en la excavacin el menor espacio posible. 9 No debe entorpecer los procesos productivos. 9 Est constituida por elementos que se pueden preparar en la superficie

y que se pueden instalar por medios fciles. 9 Asegurar las condiciones de trabajo en la excavacin, durante el

transcurso de todo el plazo de servicio.

La resistencia de la madera (pino), que es la que empleamos en la mina conjuntamente con el eucalipto, tiene un valor bajo de coeficiente de calidad constructiva, lo que no es bueno para fortificar excavaciones con un plazo largo de servicio, adems las condiciones de la mina hacen que la vida til o de servicio de la madera no sean muy altas, hay que aclarar que en todos los sectores de la mina no se presentan las mismas condiciones por lo que en algunas partes la madera podra ser la mejor opcin.

Sin embargo en la actualidad en los trabajos principales y de largo plazo de operacin se est empleando arcos de acero los cuales poseen propiedades mecnicas muy buenas, los cuales garantizan la preservacin de niveles importantes por tiempos muy prolongados.

La presencia de agua subterrnea es uno de los principales factores que afectan la madera, principalmente en las partes inferiores, en la mina hay pocos sectores donde se observa presencia de aguas subterrneas, pero donde hay presencia de agua se realiza lo posible para extraerla mediante sistemas de bombeo, tratando as de garantizar que el agua me afecte muy poco a el sistema de entibacin.

Como material natural que es, cualquier tipo de madera presenta defectos naturales, por eso en la mina se trata de adquirir madera que se encuentre en optimas condiciones para la entibacin, que se encuentre en condiciones de secado favorables y que la madera sea lo ms uniforme posible. En recorridos realizados en la mina se evidencia poca presencia de hongos que afectan la madera, excepto en los retornos de aire viciado donde se presenta una alta humedad relativa lo que me facilita la existencia de hongos. El tipo de fortificacin empleado en la mina es de tipo continuo (Los cuadros de fortificacin se colocan uno al lado del otro) ver foto, por recomendaciones tericas se deben colocar con una distancia de separacin desde 0.5 m y si hay gran presencia de presiones y esfuerzos desde 0.35 m con una distancia mxima de separacin de 1.2m -1.5m , en la mina se ha invertido mucho en este tipo de fortificaciones de madera; para as garantizar la seguridad de todo el personal, en los niveles y otros sitios de trabajo. Adicionalmente en el techo y las partes superiores de los lados, se encaman, o sea que se les colocan forros o revestimientos cuyo objetivo principal es constituir un colchn o encamado amortiguador para repartir uniformemente la presin de los terrenos sobre la puerta e impedir que las asperezas de la roca se concentren localmente la presin (o presin de carcter puntual) y dar tambin una cierta elasticidad al sostenimiento porque est constituido de madera menos resistente que trabaja perpendicularmente a las fibras, puede comprimirse y permitir una deformacin de los terrenos durante el periodo dinmico que sigue a su colocacin, esta elasticidad se aumenta llenando con piedras el vaci entre la roca y el forro, permitiendo as que el forrado asegure la elasticidad necesaria entre la puerta y las rocas, garantizando ms seguridad para el personal que labora en la mina.

Tipo de sostenimiento o fortificacin contina.

En la mina generalmente en los niveles se utilizan la fortificacin de madera con cuadros normales debido a que la presin minera acta relativamente simtrica, mientras que en los tambores por seguridad del personal que labora en estos lugares se emplean cuadros de fortificacin reforzados generalmente con tres patas (mainel).

En donde sea posible es recomendable canalizar el agua subterrnea, para as garantizar que no interactu en la parte inferior de la entibacin de madera.

Canalizacin o drenaje de aguas en el interior de la mina.

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

o La madera que se seca adecuadamente dura ms que la verde, la descortezada ms que la que conserva la corteza, la madera que se conserva constantemente en zonas bien ventiladas puede durar indefinidamente, la madera en cambio en una atmsfera hmeda y caliente se descompondr rpidamente, la madera sometida alternativamente a atmsferas hmedas y secas se estropea rpidamente, la madera sometida a efectos biolgicos tiene vida til corta.

o La especie influye en las caractersticas de secado, especialmente en funcin de densidad, generalmente, la madera de baja densidad se seca en forma relativamente rpida, en cambio la madera de alta densidad se seca lentamente

o La vida til de una madera est determinada, de una parte, por aspectos inherentes a su naturaleza, y de otra, por las condiciones especiales de servicio; la durabilidad depende tambin de las condiciones de utilizacin por ejemplo, la madera ser ms susceptible a ser atacada en condiciones clidas y hmedas que en climas fros y secos.

o En estudios realizados en trabajos de grado de maderas en la regin se afirma que gran porcentaje de madera que llega a la regin es muy joven y son ms susceptibles a el ataque de hongos e insectos y adems tienen menos propiedades mecnicas que la madera adulta, adems presenta un alto contenido de humedad (>30%).

o La madera en la mina constituye un sistema de fortificacin bueno excepto en lugares donde circulan las corrientes de aire viciado ya que se presenta un alto contenido de humedad y me favorece la presencia de hongos, para estos lugares actualmente se estn destinando otro tipo de fortificacin como lo son los arcos de acero que hasta ahora han respondido muy bien a esfuerzos y presiones en la mina.

o Para mejorar la condicin de la madera que se presentan en la mina se debe construir un lugar especial para as facilitar el control de humedad y garantizar

unas condiciones de secado optimas contribuyendo as a mayor durabilidad de esta recurso en la mina

o El lugar ideal para el almacenamiento de la madera debe ser un terreno alto, razonablemente parejo, con buen desage y que no est rodeado por rboles altos o edificios que me puedan propiciar ambientes ms hmedos y que obstaculizan notablemente la entrada de luz solar.

o Un seguimiento mediante el registro y control de los lugares adems del tipo de fortificacin empleado, pueden ayudar a tomar buenas decisiones a la hora de escoger la mejor decisin en sostenimiento.

10. BIBLIOGRAFA

Fortificacin de excavaciones horizontales; Blanco Torres, Roberto.1993.

Diseo de adems en minas; Biron Cemal, Arioglu Ergin, 1987, Editorial Limusa, Mxico D.F

Laboratorio de productos forestales.1984.Estudio de propiedades Fsico mecnicas y trabajabilidad del Pinus Patula. Universidad Nacional de Colombia. Seccional Medellin.39p

Laboratorio de productos forestales. Universidad Nacional de Colombia. 1989. Madera: Boletn tcnico informativo sobre Tecnologa de Maderas. Volumen VIII N1. Medelln, Colombia.55p

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