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Malla romboidal de alta resistencia en el sostenimiento de minas
subterrneas
Resumen
Los sismos y daos por rockburst (estallido y desplome de rocas)
en minera subterrnea de profundidad son
amenazas comunes a nivel mundial, incluyendo el Per. La mayora
de los sistemas de sostenimiento estndares
no cumplen o son limitados en su capacidad frente a cargas
dinmicas causadas por estas amenazas.
La malla romboidal de acero de alta resistencia ha probado su
alto rendimiento y su idoneidad para su aplicacin
como sostenimiento contra voladura de roca o en caso de estratos
altamente deformables en pruebas estticas y
dinmicas realizadas por la Western Australian School of Mines
(WASM).
Debido a la elevada resistencia del alambre de acero (min. 1770
MPa = N/mm2) y su aptitud de alta deformacin
de la malla, este sistema de sostenimiento subterrneo es
aplicable en ambientes de grandes solicitaciones de
esfuerzos. Un brazo automatizado para desenrollar malla
romboidal de alambre de acero de alta resistencia fue
desarrollado y probado exitosamente en Australia para la
utilizacin en trabajos de sostenimiento subterrneo.
Este brazo, compatible con cualquier jumbo de perforaci de
brazos mltiples, sirve para colocar la malla
enrollada en un sistema de bobina. Dicho equipo sujetador de la
malla es ensamblado a un brazo del jumbo,
mientras que la perforadora o split-set para los anclajes es
ensamblada en otro brazo del jumbo. La innovacin en
la colocacin de malla romboidal de alta resistencia y la
implementacin mecanizada de split-sets o pernos se
realiza al mismo tiempo aumentando por tanto, la seguridad del
personal minero as como la rapidez en la
produccin o desarrollo de la mina.
Introduccin y objetivo
El sostenimiento primario en operaciones mineras subterrneas sin
amenaza de rockburst principalmente
consiste en malla electrosoldada y anclajes de friccin. A mayor
profundidad, las minas sufren por aumento en la
sismicidad y dao asociado por rockburst. Para cumplir con esta
amenaza, han sido introducidos rock bolts
especialmente diseados, con mejor capacidad de absorcin de
energa y de elongacin.
Este anclaje tambin se ajusta con ambientes de alta
deformabilidad, sin embargo, entre los bolts se requiere una
superficie de soporte y la nica estrategia hasta el momento ha
sido de utilizar fibras gruesas o concret lanzado
(shotcrete), reforzado por malla electro-soldada. Esta aplicacin
tiene la tendencia ser costosa y lenta en su
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instalacin. Adems, tiene un comportamiento muy rgido y reacciona
por esto poco o insuficientemente a
impactos dinmicos. La consecuencia es la repeticin de dichos
trabajos en caso de fallas.
Los paneles de malla electro-soldada son fciles de maniobrar.
Adems, esta malla es suficientemente fuerte y
rgida para prevenir desprendimientos y cadas de rocas de menor
tamao y para prevenir que se enrede el techo
del tnel, pero esta malla no tiene la aptitud para poder
absorber mayores impactos dinmicos. Las uniones
electrosoldadas son quebradizas y usualmente se rompen primero,
seguidas por falla del alambre cuando las
cargas se aumentan.
Las mallas de simple torsin hechas de alambre de acero de alto
lmite elstico (min. 1770 MPa = N/mm2)
mostraron un desempeo alto y bueno en pruebas de
desprendimientos o cadas de rocas y de rockburst. Por la
combinacin de su alta resistencia y de su flexibilidad, la malla
fue capaz de absorber la energa cintica,
amortiguando as las masas de roca que impactaron. La resistencia
alta de la malla es requerida para poder
transferir las fuerzas resultantes por un impacto de rockburst
hacia los anclajes y para evitar punzonamiento a la
malla por el impacto de las masas de roca.
Con el fin de usar esta malla de alto rendimiento como un
producto estndar para sostenimiento subterrneo, ha
sido necesario desarrollar un mtodo seguro, rpido y automatizado
de instalacin. El objetivo de este trabajo es
de proveer a operadores de minas una solucin eficiente y
efectiva para poder instalar rollos de mallas
romboidales/ simple torsin de alta resistencia.
Adems, fue considerado deseable que este nuevo equipo sujetador
de malla puede ser usado con equipo de
perforacin usualmente aplicado en minas subterrneas, obviando as
la compra de jumbos nuevos.
Malla simple torsin/ romboidal y de alta resistencia para
sostenimiento subterrneo
La malla romboidal/simple torsin TECCO es hecha de alambre de
acero de alta resistencia con dimetro de 4
mm y con alto lmite elstico del acero de 1770 MPa = N/mm2 en
mnimo. Este alambre de acero de alto
rendimiento tiene una resistencia excelente tanto a corte como a
impactos. La apertura de la malla tiene forma
romboidal y a lo largo de los bordes laterales del rollo, los
alambres son doblados y doblemente torsionados de
manera que esta conexin es tan fuerte como la malla misma (vase
Figura 1a).
Estructura de la herramienta de sostenimiento
Figura 1 (a) Geometra de la malla TECCO; y (b) el suministro de
la misma malla en rollos
La malla es fabricada en rollos y puede ser manufacturada en
anchos hasta 5 m y en longitudes hechas a medida
(vase Figura 1b). Por el uso de alambre de alto lmite elstico,
la malla es muy liviana en relacin con su
resistencia. Para la proteccin contra la corrosin, el alambre
tiene una capa especial de aleacin de aluminio y
zinc, lo que tiene una resistencia superior contra corrosin
comparado a galvanizacin estndar en caliente.
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La geometra de dicha malla fue diseada de manera que tenga una
resistencia altsima a cargas de rotura y una
caracterstica de baja deformacin, evitando as tanto tasas
inadmisibles de deformacin o de desplazamiento
como de enredarse despus de un impacto de rockburst. Las
propiedades de resistencia de la malla fueron
determinadas en varias series de pruebas en la Universidad de
Cantabria. Las propiedades de la malla TECCO
G80/4 con dimetro de alambre de 4 mm son resumidas en la Tabla
1.
Cualidades de la herramienta de sostenimiento en una mina
subterrnea
Pruebas con malla romboidal/simple torsin de alta
resistencia
Para la determinacin de las propiedades mecnicas de la malla de
acero de alta resistencia, fueron realizadas
pruebas extensivas tanto estticas como dinmicas por la Western
Australian School of Mines (WASM). Para el
dimensionamiento del sistema de sostenimiento consistente de
malla y anclajes, fue desarrollado un modelo
numrico con base en elementos finitos, calibrado y verificado
por el Swiss Federal Research Institute (WSL).
Pruebas estticas
La respuesta esttica de la malla romboidal / simple torsin de
alto rendimiento fue determinado por trabajos de
prueba en los laboratorios del WASM. Se trabaj con tres muestras
individuales en tamao de 1.3 m x 1.3 m de la
malla de alta resistencia tipo TECCO G80/4 que fueron sometidas
a esfuerzos por una placa de acero de 300 mm
x 300 mm. La malla de alta resistencia TECCO G80/4 (lmite
elstico de acero 1770 MPa = N/mm2 mnimo) fue
capaz de resistir cargas de 100 a 110 kN antes de fallar en la
esquina de la placa de carga. En comparacin, la
malla electro-soldada fall con 40 kN aproximadamente, y otra
malla genrica simple-torsin hecha de acero de
bajo contenido de carbono (lmite elstico de acero de 450 MPa)
fall por cargas de menos de 20 kN, aplicando el
mismo principio de prueba. Todos tipos de mallas requieren un
cierto desplazamiento al inicio para ser activados
y sometidos a esfuerzos. La rigidez tanto de la malla
romboidal/simple torsin de alta resistencia como de la malla
electro-soldada fue evaluado ser similar y depende ms de las
condiciones de sujecin que del tipo de la malla.
Se vio que la malla romboidal/simple torsin de alta resistencia
an puede resistir un aumento de carga en caso
de falla de un alambre sin enredarse. En 1999, Ruegger prob
dicha malla en manera parecida a su aplicacin en
minera subterrnea (con cuatro anclajes y placas) y concluy que
la falla principalmente empezaba en los puntos
de unin de la malla pero que la malla no era cortada por la
esquina de las placas, dado por la calidad ms alta de
la malla comparado a la calidad ms baja del acero de las
placas.
Pruebas dinmicas
Aplicando el mtodo de momentum transfer la malla romboidal/
simple torsin de alta resistencia fue
ensayada en las instalaciones de pruebas dinmicas de WASM.
La malla es instalada en un bastidor de carga, donde un peso de
acero puede ser lanzado en cada libre desde
alturas diferentes a la malla. La prueba dinmica es
completamente instrumentada con cmaras de alta velocidad,
celdas de carga y acelermetros.
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La Figura 3 muestra una secuencia dada por la cmara de alta
velocidad, donde una masa de 1000 kg (saco
llenado con esferas de acero para rodamiento) impacta a la malla
romboidal/simple torsin de alta resistencia.
Dicha malla se deforma de acuerdo con la carga aplicada y
transmite las fuerzas al borde. Las condiciones de
sujecin son fijas/inamovibles para tener resultados repetibles y
comparables.
Choque de un cuerpo a la malla
Figura 3. Impacto dinmico de masa de 1000 kg a malla romboidal /
simple torsin de alta resistencia TECCO
Bajo de esta configuracin, la malla romboidal/simple torsin de
alta resistencia fue capaz de absorber energas
hasta 10 a 12 kJ, lo que corresponde a frenar una masa de
rockburst de 1000 kg que haba sido acelerada
anteriormente a una velocidad de 4.5 a 5 m/s. El valor
mencionado representa solamente la absorcin de energa
por la malla y no incluye ni amortiguacin de energa por la masa
de roca por s misma, ni por el trabajo de los
anclajes. En comparacin, las mallas electro-soldadas (con
dimetro de alambre de 5.6 mm y luz de 100 mm entre
alambres) mostraban capacidades de absorcin de energa en el
orden de 1 a 2 kJ bajo el mismo sistema de
prueba.
Modelo numrico
Para la modelacin numrica, fue utilizado un algoritmo, capaz de
manejar deformaciones largas y tambin
impactos dinmicos: un cdigo con base en elementos finitos
discretos (FEM) y un modelo con elementos de
cables y entramado (red de puntos). Para la modelacin
(simulacin) de impactos dinmicos, es aplicada la
segunda ley de Newton junto con las propiedades de materiales de
cada componente (time-stepping). El software
FARO fue desarrollado por el Swiss Federal Institute of
Technology (ETH) y junto con el Swiss Federal Research
Institute WSL.
La Figura 4(a) muestra la prueba esttica realizada por Roth et
al. (2004) con la malla de alta resistencia y una
separacin de anclajes de 1m x 1m, sometiendo la malla a
esfuerzos por un bastidor de acero tensionado hacia
arriba. Estas pruebas fueron utilizadas para calibrar el modelo
numrico como se muestra en Figura 4(b). Con el
modelo del FEM calibrado es posible de llevar a cabo
simulaciones dinmicas y pronosticar as fuerzas, modos de
falla y deformaciones de diferentes componentes.
Ensayos elaborados con una malla Figura 4. (a) Pruebas esttica
con malla; y (b) calibracin del modelo numrico
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Mediante un modelo numrico calibrado de un sistema de
sostenimiento subterrneo con un tipo especfico de
malla de alta resistencia, es posible simular la respuesta
dinmica para cualquier configuracin y esfuerzos. Se
permite de ajustar los parmetros de entrada a los parmetros
especficos de proyecto, y as, pueden ser
determinados tanto la distribucin de los anclajes como las
deformaciones mximas.
Esto posibilita el dimensionamiento y un diseo adecuado para
este tipo de sostenimiento subterrneo contra
esfuerzos dinmicos. Es muy importante tener un sistema de
sostenimiento con componentes que tengan
comportamientos similares entre s. Con el modelo numrico
calibrado es posible de combinar diferentes tipos de
anclajes con la malla de alta resistencia, y determinar as si
trabajan juntos bajo condiciones dadas. Por el hecho
que siempre hay concentraciones de cargas en las placas de
transmisin de fuerzas, pueden ser transmitidos
esfuerzos mayores por el uso de placas especiales que permitan
agarrar ms alambres.
Instalacin de malla romboidal/simple torsin de alta resistencia
en tneles
La diferencia en la instalacin de una malla electro-soldada y de
una malla simple torsin es la rigidez de los
productos. La malla electrosoldada es relativamente rgida y es
suministrada y aplicada en laminas. La malla
simple torsin solamente es rgida en una direccin pero permite
rollarla en otra direccin. Por esto, aquella es
suministrada en rollos (Figura 1) y tiene que ser instalada de
manera diferente comparada a la malla electro-
soldada.
Muchas veces, se realiza una instalacin manual de malla simple
torsin mediante plataformas mviles de tijeras
elevadoras o mediante carretas elevadoras armadas con cestos,
pero esto requiere una labor intensiva. Por esta
razn, se ha concebido una nueva manera, consistiendo en un
equipo sujetador de malla para desenrollarla y
sujetarla en la superficie del tnel mientras que sea anclada al
macizo rocoso con el segundo brazo del jumbo. Los
objetivos principales fueron la rapidez y la seguridad de la
instalacin con el fin de cumplir con ambos
requerimientos en minera moderna.
Instalacin manual de la malla simple torsin
Para instalar malla simple torsin, hay que desenrollarla
alrededor del perfil del tnel, y sujetarla a los anclajes.
Muchas veces, durante la instalacin manual, los anclajes son
puestos antes de la malla que es despus sujetada a
los mismos. Para este propsito, han sido utilizadas plataformas
mviles de tijeras elevadoras o carretas
elevadoras armadas con cestos (Figura 5).
Incorporacin de la malla en una mina subterrnea
Figura 5. (a) Instalacin manual de malla con plataforma mvil de
tijera elevadora; y (b) Cesto de instalacin
armado a carreta elevadora
Estos mtodos tienen la desventaja de ser bastante lentos y
requieren una labor intensiva. Adems, es difcil
llegar a la tensin ptima de la malla, lo que sera importante
para minimizar mantenimiento y costos.
Adicionalmente, los trabajadores tienen que instalar la malla en
un ambiente todava no sostenido (falta de
overhead protection) lo que no cumple con los ltimos estndares
de seguridad.
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Instalacin totalmente mecanizada con equipo sujetador de
malla
Un equipo sujetador automatizado para rollos de malla
romboidal/simple torsin de acero de alta resistencia fue
desarrollado y probado exitosamente en Australia para la
utilizacin en trabajos de sostenimiento subterrneo.
Este brazo, compatible con cualquier jumbo de perforacin de
brazos mltiples, sirve para colocar la malla
enrollada en un sistema de bobina.
Dicho equipo sujetador de la malla es ensamblado a un brazo del
jumbo, mientras que la perforadora o split-set
para los anclajes es ensamblada en otro brazo del jumbo. La
colocacin de malla y la implementacin mecanizada
de split-sets o perno (bolts) se realiza al mismo tiempo.
Herramienta de apoyo para la malla romboidal
Figura 6. Equipo sujetador de malla montado a un brazo de
jumbo
El primer brazo con el equipo sujetador de malla (Figura 6)
puede sujetar el rollo de malla, y desenrollarlo a lo
largo de la superficie del tnel (transversal al eje del
tnel).
Para ajustar la malla entre los anclajes, el brazo es armado con
un sistema para tensionar y soltar la malla por
rotacin de la bobina hacia delante y hacia atrs en ambas
direcciones. Mientras tanto, el segundo brazo puede
anclar la malla al macizo rocoso. Esto es ejecutado paso a paso
con el fin de tensionar la malla tanto sea posible y
as tenerla sujetada de manera correcta a la superficie del
tnel.
Este sistema reduce el manejo manual, la exposicin del personal
en zonas peligrosas durante el proceso de
instalacin y el tiempo de ciclo de sostenimiento. Aparte de esto
se aumenta la calidad del sostenimiento tanto
por el dimencionamiento y el diseo adecuado como por la
aplicacin de la malla de alta resistencia que es ms
tensionada y mejor adherida a la superficie de la roca,
reduciendo adems el efecto de enredarse o conformacin
de bolsas.
Otro aspecto importante es que ningn personal es expuesto
directamente a la zona todava no sostenida gracias
al equipo mecanizado y por la aptitud del jumbo de sostener la
bobina con el rollo de malla TECCO con un brazo,
moverla hacia la zona de trabajo y manejarla all.
Prueba de instalacin in-situ
Para poner el equipo sujetador de malla en marcha y para
probarlo, fue realizada un ensayo en condiciones reales
en una mina subterrnea en el oeste de Australia con malla
romboidal/simple torsin de alta resistencia y con 2
m d ancho del rollo. El equipo fue ensamblad a un jumbo tip
Sandvik con dos brazos, que perteneca y operaba
por la empresa de minera. El alimentador existente fue removido
de uno de los brazos y el equipo sujetador de
malla fue ensamblado all. El circuito hidrulico existente fue
utilizado para el control de funcin de dicho equipo
nuevo (Figura 7).
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Montaje de una malla en una mina subterrnea
Figura 7. Prueba de instalacin in-situ en una mina subterrnea en
el oeste de Autralia
Existieron unas dudas que la malla formara bolsas y permitira a
bloques largos o detritus de rocas de acumularse
all. La prueba en circunstancias reales mostr que no era as, y
tan pronto como la malla haba sido anclada a los
paredes y al techo de tnel, se not que la malla segua la
superficie del macizo rocoso y que estaba bien sujeta
por la tensin aplicada en la instalacin, lo que result en una
textura suave y plana en la zona sostenida.
La prueba de instalacin demostr que fue posible de instalar una
malla romboidal/simple torsin del alta
resistencia en menos tiempo que una malla electro-soldada
estndar an cuando por primera vez el operador del
jumbo utilizaba equipo nuevo en un brazo. Con la optimizacin del
proceso de instalacin, va a ser posible de
tener un ciclo de sostenimiento mecanizado con malla de alta
resistencia an ms rpido, sin comprometer la
seguridad de la operacin.
Conclusiones
En base a pruebas exitosas con malla romboidal/simple torsin de
alambre de acero de alta resistencia tanto
estticas como dinmicas, se verific que dicho tipo de malla es
adecuado en reas de rockburst o en ambientes
de alta deformabilidad con grandes solicitaciones de
esfuerzos.
En contraste con concreto lanzado (shotcrete) o alternativamente
reforzado con fibras (fibracrete), el macizo
rocoso queda visible para inspeccin por expertos, por ejemplo,
en geologa, geotecnia o mecnica de rocas. Para
un sistema de sostenimiento contra rockburst, tienen que ser
escogidos tanto anclajes (bolts) como placas
adecuadas para ser combinados con dicha malla de alta
resistencia. Este sistema de sostenimiento puede ser
dimensionado mediante modelo numrico calibrado descrito
anteriormente.
Con el mtodo de instalacin mostrado, este tipo innovador de
malla puede ser instalada fcilmente y an ms
rpidamente que los mtodos de sostenimiento subterrneo usualmente
aplicados.
Debido a la aplicacin mecanizada de la malla romboidal/simple
torsin se reduce el tiempo de instalacin del
sostenimiento. Adems, pueden ser utilizados jumbos estndares
multibrazos. Esta aplicacin permite ciclos
optimizados de trabajo y ampliacin de la separacin entre
anclajes. El mismo tipo de malla de alta resistencia,
pero con dimetro ms pequeo, podra ser utilizado como malla de
refuerzo de concreto lanzado (shotcrete).
Se concluye que tanto la malla romboidal/simple torsin de alta
resistencia como su instalacin totalmente
mecanizada puede aumentar considerablemente la seguridad del
personal minero, la calidad del sostenimiento
subterrneo instalado (incluyendo su optimizacin por el
dimensionamiento apropiado y adecuado a los
potenciales mecanismos de falla), y la rapidez y la eficiencia
en el desarrollo de la operacin minera (produccin).
