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FACULTAD DE INGENIERIA
Escuela de Formacin Profesional de Minas
APLICACION DEL SISTEMA DE REFUERZO
DE ROCA EN SHRINKAGE EN LA MINA
MOROCOCHA CENTROMIN PERU S.A
T E S I S
Para Optar el Ttulo Profesional de:
INGENIERO DE MINAS
CARLOS LUIS COLQUI HUAMAN
CERRO DE PASCO PERU
2,003
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2
A MI QUERIDA MADRE, A MIS HIJOS Y A LA MEMORIA DE MI ENTRAABLE
PADRE
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3
PRESENTACION
Seores Miembros del Jurado Calificador:
En cumplimiento a lo estipulado en el Reglamento de Grados y
Ttulos de
la Facultad de Ingeniera, someto a consideracin del Honorable
Jurado la Tesis
Intitulada APLICACION DEL SISTEMA DE REFUERZO DE ROCA EN
SHRINKAGE EN LA MINA MOROCOCHA CENTROMIN PERU S.A. El
trabajo de investigacin que presento es el fruto de mi
experiencia profesional
realizada en la Empresa Minera del Centro S.A., Unidad de
Produccin
Morococha; por lo cual invoco a los seores Catedrticos su
benevolencia para
calificar el esfuerzo desplegado en la presente, si para tal
propsito merezco
vuestro dictamen favorable.
Agradezco y reconozco a nuestros distinguidos profesores de la
Facultad,
quienes con su valiosa y actualizadas enseanzas, aportaron para
una slida
formacin profesional
El Autor.
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4
INTRODUCCION
El presente tema es el resultado de un estudio y anlisis
realizado en la
mina Morococha, Unidad de Produccin de la entonces
CENTROMIN-PERU
S.A.
El principal objetivo es el de incidir sobre un recurso tan
importante como
es el USO DE LOS PERNOS DE ANCLAJE EN LOS TAJEOS
SHRINKAGE y su aplicabilidad.
El mtodo de explotacin por Almacenamiento Provisional
-SHRINKAGE
STOPING-, es uno de los mtodos ms ventajosos en cuanto a
produccin se
refiere; sin embargo, el inconveniente principal es el
empobrecimiento gradual del
mineral -DILUCION-, como producto del desprendimiento de las
cajas.
Para controlar estos desprendimientos y evitar, por lo tanto, la
dilucin se
implementaron una serie de medidas preventivas, entre estos se
encuentran los
pernos de anclaje.
Los pernos de anclaje, en sus diferentes formas y variedades y
como
sostenimiento activo que es sirve principalmente, en este caso,
para evitar el
desplazamiento de la roca proporcionndole esfuerzos adherentes
que refuerza a
la roca in situ, consolidndole y cohesionndole, ya que estos
elementos no se
oponen a las deformaciones de las rocas sino los controla y
posteriormente los
frena.
En los ltimos aos los adelantos tecnolgicos en minera han
avanzado a
pasos agigantados. Estos adelantos no se deben a creaciones
novsimas de
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5
equipos, instrumentos, etc. e incluso a disciplinas que an
cuando nosotros lo
estamos experimentando recientemente, ellos han sido concebidos
hace ms de un
siglo, que no dieron buenos resultados, en ese entonces, porque
su desarrollo
tecnolgico, referido a los materiales, no alcanzaban los niveles
actuales que
poseen.
La Mecnica de Rocas, es una de las disciplinas de las cuales la
minera se
va auxiliando en forma preponderante y en los ltimos lustros
esta ciencia ha
comprobado, mediante estudios experimentales, la importancia y
eficiencia de los
pernos de anclaje.
Para una efectiva utilizacin de los pernos es necesario conocer
lo
fundamental del comportamiento de la naturaleza y aqu se d las
pautas
necesarias para tal fin y nos valemos de la Mecnica de Rocas;
sin embargo, una
aplicacin detallada de esta ciencia es de incierto valor, por lo
que asumo ciertas
condiciones mximas. Como una regla, el sostenimiento basado en
tales
asunciones son bastante satisfactorias, al menos
temporalmente.
Los pernos de anclaje, en este caso los SPLIT SET, son recursos
de los
cuales nos valemos de modo general para controlar el equilibrio
del terreno y, de
modo particular, controlar la dilucin en los Shrinkage, que como
se sabe es una
de las principales desventajas de este mtodo de explotacin y que
al final refleja
un costo excesivo en el estimado inicial y en el afn de mejorar
las leyes de este
centro minero se recurri al uso de los Split set.
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6
Finalmente, hago extensivo mi agradecimiento especial al
Ingeniero de
Minas, Sr. Jos CHUMBE SOVERO, Jefe de Capacitacin del Area de
Minera
de la Empresa Minera CENTROMIN PERU S.A., por su aporte
invalorable en la
determinacin del presente estudio.
Habiendo arribado a las conclusiones y recomendaciones
respectivas, doy
por terminado el presente trabajo de tesis.
El Autor.
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7
OBJETIVOS
Los principales objetivos, que se persigue al presentar el
presente estudio,
son:
OBJETIVOS GENERALES:
1. Evitar, con la aplicacin de los pernos de anclaje, la dilucin
del mineral
en los tajeos shrinkage.
2. Reducir costos, directa e indirectamente, mediante el uso de
los pernos.
3. Aplicar el Shrinkage en vetas con problemas
estructurales.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1. Reducir la dilucin que en algunos tajeos superaba el 30%
sobre el
permisible en la etapa de rotura.
2. Reducir las prdidas por sobre dilucin en la etapa de rotura
que en
algunos tajeos supera los 9.00 US. $/TM.
3. Reducir la dilucin en la etapa de evacuacin, la misma que se
estima
alcanza hasta un 30% adicional al de rotura.
4. Mejorar la velocidad de evacuacin por la reduccin de
desprendimiento
de las cajas.
5. Permitir el minado por Shrinkage en vetas con cajas
fracturadas, falladas o
alteradas lo que ha obligado a utilizar Corte y Relleno con los
problemas
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8
inherentes que representa ese mtodo en la Unidad de
produccin
mencionada.
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9
INDICE
Pag. No.
DEDICATORIA
PRESENTACION
INTRODUCCIN
OBJETIVOS
INDICE
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1. Situacin y Accesibilidad
.........................................................................
13
1.2. Fisiografa.
................................................................................................
14
1.3. Clima y Vegetacin
..................................................................................
14
1.4. Historia de la Mina.
..................................................................................
15
CAPITULO II
GEOLOGA.
2.1 Geologa General
......................................................................................
20
2.2 Geologa Regional
....................................................................................
21
2.3 Estratigrafa
..............................................................................................
21
2.4 Estructura.
................................................................................................
25
2.5 Intrusivos
..................................................................................................
26
2.6 Metamorfismo
..........................................................................................
27
-
10
2.7 Alteracin Hidrotermal
............................................................................
27
2.8 Controles de Mineralizacin
....................................................................
27
2.9 Tipo y Forma de los depsitos.
................................................................
28
2.10 Mineraloga
..............................................................................................
30
2.11 Paragnesis y Zonamiento.
.......................................................................
30
2.12 Reservas de Mineral
................................................................................
31
2.13 Concesiones
..............................................................................................
32
2.14 Exploracin y Desarrollos
........................................................................
33
2.15 Dilucin.
...................................................................................................
33
CAPITULO III
MINADO.
3.1. Mtodos de Explotacin
...........................................................................
37
3.2. Almacenamiento Provisional
(Shrinkage)................................................ 38
CAPITULO IV
MECNICA DE ROCAS
4.1. Definicin de Mecnica de Rocas
............................................................ 48
4.2. Propiedades de las Rocas
.........................................................................
48
4.3. Esfuerzos alrededor de excavaciones subterrneas
.................................. 49
4.4. Conclusiones prcticas derivadas de los puntos anteriores
sobre
mecnica de rocas
....................................................................................
63
CAPITULO V
PERNOS DE ANCLAJE
5.1 Historia de los pernos
...............................................................................
66
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11
5.2 Teora de Sostenimiento de Roca mediante Pernos de Anclaje
.............. 69
5.3 Clases de Pernos de Anclaje
.....................................................................
79
5.3.1. Pernos de Ranura y Cua
.............................................................
79
5.3.2. Pernos Expandibles
......................................................................
95
5.3.3. Pernos de Anclaje Especiales
..................................................... 102
5.3.3.1. Pernos de Anclaje Repartido
...................................... 102
5.3.3.2. Varillas de Roca sin Anclamiento
.............................. 103
5.3.3.3. Pernos de madera
....................................................... 104
5.3.3.4. Split Set
......................................................................
112
5.4. Ventajas y Desventajas de los Pernos de Anclaje
............................... 116
5.5. Ventajas y desventajas de los Split Set
............................................... 117
CAPITULO VI
APLICACIN DE LA TEORA DEL EMPERNADO DE ROCAS
6.1. Aplicacin de los pernos de Anclaje
...................................................... 119
6.1.1 Aberturas Tabulares Horizontales
.............................................. 120
6.1.2 Tajeos.
........................................................................................
123
6.2 Seleccin del perno Anclaje
...................................................................
124
6.3 Fundamento de la longitud del perno
..................................................... 124
6.4 Capacidad Portante del Split Set
............................................................
127
6.5 Orientacin ptima de los pernos
........................................................... 129
6.6 Mecnica de funcionamiento del Split Set
............................................. 129
6.7 Espaciamiento entre los Split Set
........................................................... 130
-
12
6.8 Longitud de los Split Set
........................................................................
131
6.9 Instalacin del Split Set
..........................................................................
131
6.10 Justificacin para el Empleo de Pernos de Anclaje en el
Sostenimiento
en Shrinkage.
..........................................................................................
131
6.4. Evaluacin Econmica del Empleo de Split Set como
Sostenimiento
en tajeos Shrinkage.
...............................................................................
132
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA.
PLANOS Y FIGURAS
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13
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1. SITUACION Y ACCESIBILIDAD:
La mina Morococha, fue una de las unidades de produccin de
CENTROMIN PERU y se encuentra ubicado aproximadamente a 142
kms. al Este del Departamento de Lima, en la provincia de
Yauli,
departamento de Junn. Situado en la parte cntrica de la
Cordillera
Central. Fig. N 1.
El yacimiento de Morococha est dentro de un rea de 60 kms.,
ubicado en la parte central del distrito, con una extensin de 10
kms.
Colinda con 5 compaas mineras: Centraminas, Santa Rita,
Sociedad
Minera Puquiococha, Sociedad Minera Yauli y Austria Duvaz.
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14
Geogrficamente, est ubicado en las siguientes coordenadas:
- 7610' Longitud Oeste
- 1136' Latitud Sur.
La carretera central cruza a este asiento minero de Oeste a
Este,
siendo muy fcil el acceso a esta mina, ya sea por ferrocarril o
vehculos
motorizados
1.2. FISIOGRAFIA :
Topogrficamente se abrupta tipo alpina, con una altitud
variable
entre 4,400 m.s.n.m. en la parte Oeste y 5,000 m.s.n.m. en la
Este de la
mina.
La cumbre ms elevada de la zona es Yanashinga con una
latitud
de 5,480 m.s.n.m. y cuyo flanco occidental est cubierto por un
glaciar.
Los valles son en forma de "U" cuyos fondos estn ocupados por
lagunas
escalonadas, como la Laguna Huacracocha.
Las estras y depsitos glaciares son evidencias de una fuerte
glaciacin en la zona.
1.3. CLIMA Y VEGETACION :
El clima de la regin es frgida, con dos estaciones bien
marcadas:
la helada de Noviembre a Abril con precipitaciones
principalmente de
nevadas y granizos. La seca durante el resto del ao.
La mayor parte de la superficie est cubierta de pastos
naturales,
especialmente de pajabrava (ichu).
-
15
1.4. HISTORIA DE LA MINA :
Esta mina es una de las ms antiguas, ya que su inicio se remonta
a
la poca incaica.
Aqu se enumerar algunas fechas con el afn de contribuir ms
al
conocimiento de la historia minera del Per, estas son las
siguientes:
Pre-Colombina : Posibilidad de la existencia de pequeos hornos
de
barro, llamadas huairas, en las laderas de
Huascacocha Tuctu. Posiblemente se extraa plata
nativa en xidos del Cerro Potos.
Hasta 1700 : Grupos aislados de espaoles "rascan"
afloramientos ricas en plata, los funden en Pucar,
Yauli y Pachachaca. Es en muy poca escala.
1802 : Alexander Von Humboldt recibe informacin de la
decadente actividad en Morococha.
Hasta 1835 : Casi total abandono de las minas debido a las
convulsiones polticas y guerras civiles.
1840 : El Sr. Juan Francisco de Izcue inicia la explotacin
de minerales de cobre y plata en San Miguel.
1845 : El Sr. Karl Rhinehardt Pflucker Schmiedel se
asocia con el Sr. Izcue y forman la primera
sociedad minera del lugar, La Compaa Peruana
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16
de Minas Cobre. Traen mineros y metalurgistas
alemanes.
1850 : Los Ingenieros alemanes Erdmann y Honigman
construyen un horno de reverbero para fundir
minerales de cobre y obtener matas para su
posterior lixiviacin.
1850 a 1860 : Se instalan en Morococha varios ingenios para
tratar minerales de plata para amalgamacin y
cloruracin en la zona de Tuctu.
1861 : El sabio Antonio Raimondi visit Morococha y
estudio la mineraloga de las minas del Sr.
Pflucker.
1884 : Pedro F. Remy, primer Ingeniero de Minas del
Per, inici su ejercicio profesional en Morococha,
en las minas de la familia Pflucker.
1885 : El Sr. Ricardo Marh inicia desde Arapa el socavn
Descubridora para cortar las vetas que tenan en
operacin en los cerros Cuncuspata y Alpamina. El
socavn llegara a tener un kilmetro.
1893 : Llega a Morococha el ferrocarril.
1895 : Los Srs. Octavio Valentine y Nicols Azalia
inician la explotacin de las vetas Sara y Cristina
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17
en la mina Natividad y en 4 aos vacean todo el
mineral hasta el nivel de la Laguna Morococha.
1897 : Los Srs. Octavio Valentine y Jos Miculicich
explotan parte de las minas Gertrudis e inician el
pique.
1898 : Se forma la Compaa Minera Santa Ins de
Morococha por la testamentaria Pflucker e inician
la explotacin de 5 vetas en la mina San Francisco.
1900 : Se inicia el Pique Natividad.
1903 : El Ing. Carlos E. Velarde inicia un estudio minero
de Morococha que tomara 5 aos en concluir. Su
obra se public en el Boletn del Cuerpo de
Ingenieros en 1908.
1906 : El Ing. Alberto Jochamowitz realiza una
evaluacin econmica en Morococha y la
considera segundo productor de cobre y cuarto de
plata.
1906 : Se funda la Empresa Minera Backus y Johnston
para trabajar minas en Casapalca y Morococha.
1908 : La Morococha Mining Co. inicia el pique San
Francisco.
1912 : El Ing Harold Kingsmill llega como
Superintendente para la Morococha Mining Co. y
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18
profundiza el pique Natividad hasta 180 metros
debajo del Nv. Carlos Reinaldo.
1915 : La Cerro de Pasco Cooper Corporation adquiere
todas las acciones de la Morococha Mining Co. El
Ing Harold Kingsmill queda como
Superintendente.
1919 : La Cerro de Pasco C.C. adquiere la Backus y
Johnston y agranda su divisin en Morococha.
1929 : La concentradora gravimtrica llamada "Amistad"
se convierte en concentradora por flotacin y por
etapas llega a ampliar su capacidad a 1000
tons./da.
1974 : Pas a formar parte de la Empresa Minera del
Centro del Per, CENTROMIN PERU S.A.
2000 : Es adquirido por Volcan Compaa Minera S.A.
-
19
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMAC. PROF. DE ING. DE MINAS
PLANO DE UBICACIN DEL DISTRITO MINERO DE MOROCOCHA
Dibujado: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E.. OCTUBRE 2003 FIGURA N1
-
20
CAPITULO II
GEOLOGIA
2.1 GEOLOGIA GENERAL:
La geologa del distrito minero de Morococha ha sido objeto
de
estudios continuos efectuados por gelogos, tanto nacionales
como
extranjeros. Fig. N 2.
Los yacimientos de minerales existentes en esta zona minera
presentan diferentes tipos de depositacin, tales como: vetas,
mantos,
cuerpos y diseminaciones que constituyen la fuente de produccin
de los
minerales de Cu, Ag, Pb, Zn y pequeas cantidades de Tungsteno.
Como
consecuencia de esta complejidad de acumulacin de minerales,
hace que
para su extraccin se aplique diferentes mtodos de
explotacin.
-
21
2.2 GEOLOGIA REGIONAL:
El rasgo estructural de mayor importancia geolgicamente es
un
anticlinal complejo de rumbo NW-SE cuyo eje tiene una inclinacin
de
15 NW. Este anticlinal que localmente toma el nombre de
anticlinal
Morococha, forma la parte norte de una estructura regional
mayor,
llamado DOMO DE YAULI.
2.3 ESTRATIGRAFIA:
La secuencia estratigrfica de Morococha lo constituyen rocas
que
van desde el paleozoico hacia el mesozoico y que estn
comprendidos
dentro de las unidades litolgicas siguientes:
A) GRUPO EXCELSIOR (Silrico - Devnico):
Las rocas ms antiguas corresponden a las filitas Excelsior
de edad devnica. Estas filitas afloran en el medio del
anticlinal
Chumpe a 5,000 mts. de altitud y en el Tnel Kingsmill a
4,000
mts. de altitud, ncleo del anticlinal Morococha. Las filitas
Excelsior consisten en lutitas negras a verde olivo,
fuertemente
plegadas, foliadas y cortadas por vetillas y lentes irregulares
de
cuarzo lechoso. La potencia estimada es de 3,050 mts.
B) GRUPO MITU (Prmico):
Las rocas volcnicas corresponden a la fase volcnica del
Paleozoico Superior que localmente han sido llamados
Volcnicos
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22
Catalina. La litologa consiste en derrames lvicos de andesitas
y
dacitas con algunos tufos, brechas y aglomerados que en
conjunto
hacen una potencia de 760 mts. (Mc Laughlin) que descansa en
discordancia angular sobre filitas del Devnico Medio. La
edad
asignada a estos volcnicos corresponden al Prmico Medio.
C) GRUPO PUCARA (Jursico):
Son calizas que sobreyacen concordantemente al Grupo
Mitu. A.J. Terrones (1949) ha subdividido la caliza Pucar en
13
horizontes que dan un espesor medio de 431 mts. Estos
horizontes,
del techo a la base, son:
HORIZONTE "A": Capas delgadas de caliza blanca, alternadas
con capas de lutitas rojo pardo y arenosas.
Espesor mximo, 38 mts.
Brecha Churruca Superior. Fragmentos
angulosos y subangulosos o de caliza una
matriz calcrea de color blanco, con una
potencia de 24 mts.
HORIZONTE "B": Caliza de color blanco-grisceo, finamente
estratigrfica de textura sacaroide. Espesor
promedio 12 mts.
Brecha churruca inferior. Fragmentos
angular y subangular de caliza gris en una
-
23
matriz calcrea de color blanco a verde
plido. Localmente contiene capas
lentiformes de caliza y marga. Potencia
promedio 19 mts.
HORIZONTE "C": Caliza gris clara que intemperiza a color
azul plomizo, con un espesor promedio de
12 mts.
Basalto Montero. Capa basltica de color
verde olivo a marrn oscuro, felstica y
localmente amigdaloide, con un espesor
promedio de 17 mts.
HORIZONTE "D": Capas delgadas de lutitas y margas
interestratificadas con areniscas calcreas de
color gris-violeta. En la parte inferior existen
abundantes capas y lentes de slice negra,
intercaladas con capas delgadas de margas
abigarradas.
El espesor vara entre 62 y 108 mts.
Laura superior. Caliza dolomtica de color
azul plomizo con fragmentos de fsiles y
ndulos de slice, marmolizada y
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24
serpentinizada en las inmediaciones de
intrusivos monzonticos.
Su espesor promedio es de 18 mts.
Traquita Sacracancha. Capa de traquita de
color gris oscuro, amigdaloide y mostrando
lquines de flujo bien marcadas. Intemperiza
a un cloro caracterstico. Su espesor es de
5.00 mts.
Laura inferior. Caliza dolomtica con
interestratificaciones de lutitas y areniscas.
Lentes de slice predominan en la parte
inferior del horizonte. Contiene fragmentos
de fsiles, entre los que destacan talos de
crinoides y restos de gasterpodos. El
espesor promedio es de 87.00 mts.
HORIZONTE "E": Arenisca de grano medio a grueso
alternando con capas de lutita. Al centro del
horizonte se encuentra una capa de dolomita
de 3.00 mts. de espesor, fosilfera y con
ndulos de slice. El espesor promedio de
este horizonte es de 26.00 mts.
HORIZONTE "F" : Caliza dolomtica de grano fino de color gris
claro a blanco, con fragmentos de corales y
-
25
ndulos de slice y con un espesor de 64.00
mts.
D) GRUPO GOYLLARISQUIZGA (Cretceo Inferior)
Est representado por un conglomerado basal, areniscas,
lutitas rojas, calizas y derrames lvicos los cuales descansan
en
concordancia sobre las calizas superiores del grupo Pucar.
Los principales afloramientos alcanzan una potencia de 400
- 600 mts. (Bouwell y Heshaw). Una edad del cretsico inferior
ha
sido asignado del grupo.
E) GRUPO MACHAY
Este grupo est representado por una secuencia de 450 mts.
(Bouwell), lo cual consiste de calizas negras lutceas y
margosas.
Los mayores afloramientos se presentan en las afueras del
distrito y
corresponden al cretceo medio.
F) DEPSITOS CUATERNARIOS
Estos estn representados por los depsitos de talud,
depsito de origen glaciar.
2.4. ESTRUCTURA
La estructura principal ms importante es el DOMO DE YAULI,
el
cual se extiende por 30 kms. desde San Cristbal hasta Morococha
con un
rumbo de N35W esta zona minera la estructura dominante es el
anticlinal
Morococha que es asimtrico y con los volcnicos Catalina formando
el
-
26
ncleo. Existen otros pliegues secundarios a ambos lados del
anticlinal
principal.
El eje del anticlinal tiene un rumbo N20W en la parte Sur
del
distrito y N40W en la parte Norte, con una inclinacin de
NW15
La continuidad de las mismas fuerzas de compresin, de
direccin
esencial E-W que formaron el plegamiento; dieron lugar,
primeramente, a
la formacin de 2 grandes fallas inversas a ambos lados del
anticlinal:
Gertrudis en el flanco Oeste y Potos-Toldo en el flanco Este; y,
en
segundo trmino, a cizallamiento rumbo NE-SW y NW-SE y
fracturamiento tensional de rumbo esencial E-W.
Como consecuencia de los movimientos orognicos producidos se
observan brechamientos que se ubican en las zonas de fallas
inversas y en
los contactos de : Caliza - volcnico Catalina, caliza-intrusivos
y caliza-
basalto montero.
2.5. INTRUSIVOS :
La actividad comenz durante el permiano (Volcnicos Catalina)
con la intrusin pasiva de magmas cada vez ms cidas. Continu
como
flujos volcnicos y diques-capa durante el jursico y cretceo. La
mayor
actividad ocurri a fines del terciario con las intrusiones de la
Diorita
Anticona (ms antigua) que en la zona aflora en la parte Oeste,
bordeando
a las lagunas Huacracocha. Es de color verde oscuro a gris y de
textura
porfirtica, la monzonita cuarcfera y el prfido de cuarzo.
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27
La instalacin de las rocas intrusivas ha producido metamorfismo
y
metasomatismo de las rocas encajonantes.
2.6 METAMORFISMO :
Durante la intrusin, las calizas de la formacin Condorsinga
con
intercalaciones mayormente dolomticas, han sido alteradas
gradual y
relativamente por magmas probablemente monzonticas. Estas
alteraciones
metamrficas han originado de dipsida los cuales bordean a los
intrusivos
en la zona central. Mrmoles silceas y magnesianos en la lnea
de
mrmoles y calizas ligeramente silicificadas en las afueras del
distrito.
2.7. ALTERACION HIDROTERMAL :
Las soluciones mineralizantes del sistema hidrotermal al
ascender
por los canales que cortan intrusivos y silicatos metamrficos
han alterado
a biotita rubia -feldespatos potsicos y a actinolita -
clorita,
respectivamente. En los volcnicos Catalina, la alteracin
hidrotermal se
reduce a una ligera argilitizacin, moderada propilitizacin y
silicificacin
a lo largo de las vetillas de cuarzo - pirita en los cuales la
calcopirita y
molibdenita son ausentes. En los mrmoles y calizas, la alteracin
est
restringida a una ligera serpentinizacin y dbil
silicificacin.
2.8. CONTROLES DE MINERALIZACION :
Existe un control estructural bastante evidente y determinada
por la
deposicin del mineral en las fracturas de tensin y de cizalla, y
en la
-
28
unin entre vetas y el contacto caliza - volcnico, por donde el
mineral se
ha introducido extendindose limitadamente.
La presencia de las calizas tambin ha jugado un papel
importante
como rocas favorables al reemplazamiento metasomtico.
En algunas zonas la roca volcnica (?) ha sido alterada
presentando
carbonatos y tremolita calcitizada. El reemplazamiento de este
ltimo por
galena y esfalerita es otro control importante, ya que la
mineralizacin de
Mena puede extenderse hasta 5' (cinco pies) por debajo del
contacto
caliza- basalto.
2.9. TIPO Y FORMA DE LOS DEPOSITOS :
Lo complejo de la geologa de Morococha y los diferentes tipos
de
rocas de diferentes composiciones han dado lugar a la formacin
de una
variedad de depsitos minerales, entre estos tenemos:
A) VETAS:
Las vetas mejor mineralizadas fueron formados a lo largo de
las
fracturas de tensin.
Las fallas de cizalla por contener mucho panizo no fueron
mineralizadas.
En la monzonita cuarcfera las vetas son ms cortas y no
profundizan mucho. Por lo general son definidas.
-
29
Las vetas en una parte del yacimiento slo se extienden
hasta el contacto entre caliza superior y basalto inferior,
deformndose y desapareciendo al querer penetrar en la zona
de
brechas. Hay excepciones a este regla, especialmente cuando
las
estructuras son fuertes. En este caso, se puede observar
mineralizacin por encima del contacto basalto - caliza.
Las potencias varan de 1,0m. a 1,5m., con buzamientos de
60 a 85, siendo las rocas encajonantes volcnicos, calizas y
en
menor grado Skarns.
B) MANTOS Y CUERPOS :
Los mantos generalmente estn contenidos de mineral
diseminado con inclinaciones de 25 a 30 y se encuentran en
las
calizas Pucar.
En algunas zonas los mantos tienen extensin limitada por
ser slo "filtraciones" a travs del contacto entre caliza y
basalto a
partir de las vetas.
Las potencias varan de 1,40m. a 2,40 mts., con
buzamientos de 15 30 grados cuyas rocas encajonantes son las
calizas.
Los cuerpos son aquellos que se han formado en monzonita
cuarcfera, con alto contenido de cobre, as mismo en
actinolita.
Estos cuerpos se hallan en los alrededores de los stocks.
-
30
2.10 MINERALOGIA :
Se encuentran minerales:
A) HIPOGENICOS :
Como menas, tenemos:
Galena, Chalcopirita, Tenantina Tetraedrita, Colita,
Molibdenita,
Esfalerita, etc.
Como ganga, tenemos:
Cuarzo, Pirita, Fluorita, Calcita, Rodocrosita, Rodonita,
Anhidrita,
Yeso, Shaolita, etc.
B) SUPERGENICOS :
Tenemos :
Calcopirita, Covelita, Jarosita, etc.
MINERALES COMERCIALES :
Tenemos:
Calcopirita, Tetraedrita, Enargita, Esfalerita, Galena,
Calcosita, Covelita,
etc.
2.11 PARAGENESIS Y ZONAMIENTO :
En la zona central de los stocks, alrededor de ellos y en
contacto
con las calizas alteradas, existen principalmente minerales de
Cu. Dentro
de los stocks existen vetas y diseminaciones y en las zonas de
contacto con
la caliza existen cuerpos irregulares.
En el zonamiento horizontal, tenemos 3 zonas:
-
31
En la zona principal los minerales que existen, son: Cobre,
Enargita, Calcopirita, Tetraedrita. Los minerales de ganga:
Pirita y
magnetita.
En la zona intermedia: se tiene minerales de Zn y Pb; con
minerales de ganga: Cuarzo, Rodocrosita, etc.
La zona exterior que abarca los mrgenes del distrito, cuyos
minerales son Pb y Ag, identificados con Galena Argentfera,
Freubergita;
teniendo minerales de ganga a: Calcita, Baritina, Cuarzo y
Rodocrosita.
Con relacin al zonamiento vertical, la secuencia paragentica
generalizada, es: Hematita, Magnetita; Cuarzo y Molibdenita;
Pirita,
Esfalerita, Enargita, Bornita, Calcopirita, Tetraedrita, Galena
I,
Carbonatos, Barita, Esfalerita II Galena II.
En conclusin, las caractersticas del yacimiento de la zona,
son:
A) En la mayora de las vetas se nota la presencia de panizo, el
cual se
debe a movimientos post - minerales (fallas normales).
B) Buzamiento promedio de las vetas que oscilan entre 70 a
75
C) Las vetas son de potencia variable, cuyo rango est entre 2.0'
(Dos
pies)
2.12. RESERVAS DE MINERAL
Las reservas de la Unidad se clasifican en Probado-Probables, y
por clases
(clase I: 100% CENTROMIN, clase II: Un porcentaje a CENTROMIN
y
-
32
el resto a un tercero, cuyo arriendo es recproco, clase IV: 100%
de
terceros)
RESERVAS 2001
Mineral T %Cu %Pb %Zn gAg Valor
$/t
PRODUCC.
t/ao
Vida
Aos
Prob. + Probabl 2785690 1,0 1,5 4,9 254 31,98 522000 5,3
Pros + Potenc. 3577520
C.I.. Capacidad Instalada
Mineral T %Cu %Pb %Zn GrAg/t $/t
Clase I 2053222 1,10 1,40 5,00 243,39 31,84
Clase II 108136 1,00 1,40 4,50 287,95 33,28
Clase IV 624333 0,80 2,00 4,80 277,67 32,89
Total 2785690 1,00 1,50 4,90 253,71 31,98
2.13. CONCESIONES
La Unidad de Morococha posee 4156 Ha. agrupadas en 7 concesiones
(de
acuerdo a las nuevas coordenadas U.T.M.), esta superficie en el
pasado se
han venido negociando con empresas vecinas, de tal modo de
mantener
una negociacin recproca con la Sociedad Minera Yauli, con
Centraminas
S.A. y con la Sociedad Minera Austria Duvaz. Actualmente se
tiene
alquilada concesiones a la Ca, Minera Santa Rita S.A. y Ca.
Sierra
Nevada.
-
33
2.14. EXPLORACIN Y DESARROLLOS
Ao Exploraciones (m) Perf. Diamantinas (m) Reserv.
Cub.
Cub/Pro
Prog. Realiz. % Prog. Realiz. % t %
2001
2002
2003
6480
3500
2428
4581
2785
1075
71
80
44
750
762
786
1207
1356
691
161
178
88
375257
290426
85878
1,20
0,95
0,57
* Informacin al primer semestre 2003.
2.15. DILUCION
Muy raras veces un depsito mineral podr ser explotado dentro
de
sus lmites. Es casi inevitable que algo de roca sin valor
(desmonte) sea
derribado con el mineral. Por otra parte, en los casos en que se
haga un
escogido minucioso o se "cirque", con el objeto de separar el
desmonte del
mineral, casi seguramente habr prdida de cierta proporcin de
mineral
fino que quedar en el tajeo. En ambos casos decimos que hay
dilucin.
Dilucin es, pues, la proporcin en que disminuye el contenido
metlico (LEY) de un mineral explotado con respecto al que se
ha
calculado a partir del muestreo.
La dilucin generalmente se expresa como sigue:
El porcentaje de dilucin de una labor de explotacin, es como
sigue:
%100 tajeode ancho
vetade ancho-1dilucin %
muestreo deley x
tajeode
vetade ancho diludaLey ancho
-
34
DILUCION TOTAL .-
Es la dilucin sin tener en cuenta el ancho de la labor.
DILUCION PARCIAL .-
Es la dilucin arriba del ancho mnimo explotable.
En toda mina se establece un ancho mnimo explotable de acuerdo a
las
caractersticas de la veta y al mtodo de explotacin y se diluye a
ese valor
mnimo todas las muestras cuya potencia sea menor. Para los casos
de potencias
superiores al mnimo explotable, en cada mina se establece para
la dilucin ciertas
reglas que pueden expresarse en cualquiera de las siguientes
formas:
- Porcentaje de la potencia de las vetas.
- Cantidad fija que se aade a la potencia de veta.
- Cantidad variable obtenida de un grfico, que se suma a la
potencia.
aunque, alguna veces, la regla puede ser no diluir esta clase de
muestras.
El factor ms importante es la explotacin de cuerpos angostos
es
mantener una dilucin baja., El estudio analiza dos tipos de
dilucin: la primaria,
resultante del mtodo en s y la secundaria, es aquella
incontrolada.
En lo referente a las circunstancias propias del yacimiento
mismo,
como por ejemplo, irregularidad y poca resistencia de las cajas,
el muestrero
puede aportar datos valiosos que contribuirn a un correcto
apunte del porcentaje
de dilucin en el clculo respectivo.
-
35
Con relacin a la influencia que ejercer el mtodo de explotacin
sobre
la dilucin, no es necesario aclaracin alguna; tengamos en
cuenta, solamente que
el mtodo de tajos de reduccin es el que arroja valores para la
dilucin.
En el caso especfico de la mina "Morococha" la dilucin est
determinada
por las dos reglas siguientes:
1. Las muestras correspondientes a una potencia de 2.5' (pies);
se les diluye a
este ancho mnimo.
2. Las muestras de potencias superiores al mnimo explotable
antedicho; se
diluyen segn el standard de dilucin de la mencionada mina.
-
36
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMAC. PROF. DE ING. DE MINAS
MAPA GEOLGICO
DISTRITO DE MOROCOCHA
Dibujado: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E.. OCTUBRE 2003 FIGURA N2
-
37
CAPITULO III
MINADO
El minado actual en el Yacimiento de Morococha se realiza por
varios
mtodos de explotacin.
3.1. METODOS DE EXPLOTACIN
Los mtodos usados son el de Reduccin Dinmica, Cmaras y
Pilares y Reduccin Esttica; adems el de Tajo Abierto.
Produccin por mtodos de explotacin a Junio de 1999.
METODOS PRODUCCIN PROMEDIO
t/mes
%
Reduccin dinmica y esttica 8686 28
Cmaras y Pilares 8277 27
Tajo Abierto 5939 19
Desarrollo y Preparac. 8205 26
Total 31107 100
-
38
En el presente trabajo trataremos ampliamente el mtodo por
Reduccin Esttica o Almacenamiento Provisional (Shrinkage), ya
que en
dicho mtodo se experiment la aplicacin de los pernos de anclaje,
por
las razones que sern explicados posteriormente.
En la mina subsuelo, las operaciones se realizan en 4 zonas y
8
niveles principales; las zonas Sulfurosa y Central se
caracterizan por
la presencia de vetas de plata y cobre, comprende desde la
superficie hasta
el nivel 1700; las zonas Gertrudis y San Antonio presentan
la
mineralizacin en mantos y cuerpos con alto contenido de zinc,
comprende
desde superficie hasta el nivel 222. La extraccin de mineral en
las
primeras zonas se realizan por los piques Mara y Central
respectivamente.
La distribucin estimada de produccin por zonas es la
siguiente:
ZONAS t/mes % t/tarea
Sulfurosa y Central 11000 44
Gertrudis y San Ant. 14000 56
Total 25000 100 2,32
Tajo abierto 6000
3.2. ALMACENAMIENTO PROVISIONAL (SHRINKAGE) :
La propiedad caracterstica de este mtodo es que el mineral
se
arranca en sentido ascendente, dejando que este mineral se
acumule en el
mismo tajeo, ya que la misma se usar como plataforma de trabajo
para los
-
39
siguientes y sucesivos cortes, al mismo tiempo que apuntalan
parcialmente
las cajas del espacio ya explotado y sustituyen as al relleno
propiamente
dicho. Como el volumen del mineral arrancado es aproximadamente
una
tercera parte mayor que el del mineral in-situ, debe extraerse
este
excedente con el objeto de que entre el techo del prximo corte y
la
superficie del montn del mineral, exista un espacio abierto de
2.00 mts.
de altura. Fig. N 3.
B.1. VENTAJAS DEL METODO :
Entre las principales ventajas del Shrinkage, se tiene:
1. Costos bajos.
2. Arranque rpido.
3. Rendimiento de extraccin elevado.
4. Costos de fortificacin reducidos.
5. Trabajo sencillo y fcil.
6. La gravedad favorece el trabajo con explosivos.
7. Ventilacin fcil y eficaz.
8. La extraccin no depende del arranque diario; el mineral
puede extraerse regularmente y sin interrupcin alguna.
9. El Shrinkage es el mtodo ms confiable en cuanto a
disponibilidad de mineral roto se refiere, porque no
depende de equipo de limpieza como winchas, cavos o
scoops.
-
40
10. El Shrinkage no depende de relleno hidrulico, por lo
tanto
no depende de la disponibilidad de relleno para contar con
mineral roto.
11. Cuando existen minerales de distinta calidad en los
distintos bloques en explotacin del yacimiento, puede
lograrse la calidad media deseada extrayendo mineral de las
distintas cmaras.
12. No es necesario almacenar en la superficie el mineral,
sin
que ste permanece en el interior de la mina, no estando as
expuesto a la intemperie.
B.2. DESVENTAJAS DEL METODO :
Entre los principales inconvenientes del mtodo, tenemos:
1. El Shrinkage convencional tiene limitaciones en la
explotacin de vetas cuyas cajas sean fracturadas y
alteradas por fallamiento.
2. Grandes limitaciones en las posibilidades de aplicacin.
3. El inconveniente de pasar de este mtodo a otro diferente.
4. Dificultades cuando se presentan bifurcaciones en la
veta.
5. El mineral se ensucia debido a desprendimientos de roca
de
las cajas (dilucin).
6. Escasa libertad de movimiento del personal que se
encuentra en la cmara (tajeo) sobre el mineral almacenado
y transporte difcil de las herramientas.
-
41
7. Las grandes reservas de mineral almacenado en el interior
representan la inmovilizacin de un capital notable.
8. No resulta posible en la explotacin una clasificacin del
mineral ni una separacin de la ganga.
9. Cuando las cajas se hunden antes de lo previsto, se
pierde
demasiado mineral.
B.3 CONDICIONES DE APLICACION :
El mtodo de corte y reduccin o shrinkage, se est
utilizando en vetas de las siguientes caractersticas:
1. Cajas medianamente competentes, lo que le permite una
buena estabilidad.
2. Buzamiento mayor de 70, dando lugar a que la carga de las
cajas no se cuelgen.
3. Potencia promedio de veta, 1.50 mts.
4. Regularidad en la forma de las vetas.
5. Regular presin de las cajas.
6. Mineral no aglomerable ni inflamable poco oxidable.
7. Mineral firme.
B.4 DESARROLLO :
Consiste en efectuar una galera de seccin 9' x 8' con una
longitud aproximada de 120 mts.
-
42
B.5 PREPARACION :
Se inicia con la "corrida" de las chimeneas que van sobre
veta y que sirven tanto para la ventilacin de la zona,
delimitacin
del block as como medio de reconocimiento referencial del
comportamiento de la veta.
Posteriormente, se preparan los buzones o box hols
distanciados convenientemente uno del otro, en un nmero
apropiado, esto de acuerdo a la dimensin del block.
En los buzones se tiene que armar tolvas especiales para
una efectiva descarga del mineral, y esto se realiza de la
siguiente
manera:
- Se coloca la solera de madera de 8" x 8" x 6' a 20" de
distancia de la riel. esta solera debe llevar destajes, en
donde descansarn los postes de los cuadros cojos.
- Se para los postes (8" x 8" x 10') y se aseguran
convenientemente.
- Se "sientan" los sombreros (8" x 8" x 12') en cada poste y
sus extremos asegurados en patillas previamente preparados
en las cajas (techo y piso). Se colocan los topes que van de
los sombreros al terreno y entre los dos sombreros con
madera de 8" x 8".
-
43
- Luego se ponen los caballetes (8" x 8") y el cabezal (8" x
8"). El primero apoyado sobre soportes que van pegados a
la cara interna de los postes.
- Enseguida se comienza a poner la camada con tablas de 3"
x 10" x 9'.
- Sobre la camada y pegada a los postes van las alas con
tablas de 3" x 10" x 9'.
- Se pone la compuerta metlica, asegurada en los dos postes;
los ganchos tipo "U", en donde irn dos tablas, que vendr a
ser la compuerta superior.
- Finalmente se hace una camada de redondos sobre los
sombreros, cubriendo todo el espacio vaco, dejando
solamente libre el que da a la tolva. Fig. N 4.
Despus de haber armado los chutes, se dispara el tercer
corte, tratando de formar un cono, siempre apoyado por la caja
piso
para facilitar el deslizamiento del mineral. Por otro lado se
hace
una ventana que va del primer chute a la chimenea de
preparacin,
con la finalidad de dar acceso al personal y materiales para
la
perforacin del subnivel. La corrida del subnivel se inicia desde
la
chimenea adyacente a la chimenea de preparacin y se realiza
ensanchando a toda la potencia de la veta hasta unir todos
los
buzones que se hizo para armar los chutes.
-
44
Este subnivel se hace siempre cuidando que el techo sea
horizontal y para ello, en caso necesario, se descarga el
mineral de
cada tolva. Se debe cuidar de que el puente entre el subnivel y
la
galera debe tener aproximadamente 8'. Fig. N 5.
B.6 TAJEADO :
Despus de haber hecho los trabajos de preparacin se
empieza a romper el tajeo en franjas horizontales, dejando un
pilar
de ms o menos 1.50 mts. entre el tajeo y la chimenea de
preparacin.
La perforacin se realiza siguiendo el buzamiento de la
veta, tratando de conservar, en lo posible, la estabilidad de
las
cajas.
Concluido la rotura, el tajeo ingresar a la etapa final que
es el de evacuacin total del mineral.
-
45
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMAC. PROF. DE ING. DE MINAS
METODO DE EXPLOTACIN - SHRINKAGE
Dibujado: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E. OCTUBRE 2003 FIGURA N3
-
46
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMAC. PROF. DE ING. DE MINAS
METODO PARA INSTALAR CHUTES
Dibujado: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E. OCTUBRE 2003 FIGURA N4
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47
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMAC. PROF. DE ING. DE MINAS
METODO PARA INSTALAR CHUTES
Dibujado: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E. OCTUBRE 2003 FIGURA N5
-
48
CAPITULO IV
MECANICA DE ROCAS
4.1. DEFINICION :
A la Mecnica de Rocas se le puede definir como la ciencia
que
estudia el comportamiento de las rocas y masas rocosas en
respuesta a
campos de fuerza y condiciones del medio ambiente y como rama de
la
mecnica se ocupa del movimiento, de la deformacin y de las
fallas de las
rocas y masas rocosas.
4.2 PROPIEDADES DE LAS ROCAS
El comportamiento de una roca depende de muchos factores:
tipo
de roca, dimensiones de cuerpo de la roca; las tensiones que
actan sobre
el cuerpo de la roca y la condicin geolgica de la roca, por
ejemplo si
tiene muchas juntas, grietas, diaclasas, etc.
-
49
4.3. ESFUERZOS ALREDEDOR DE EXCAVACIONES
SUBTERRANEAS :
Los esfuerzos existentes en un macizo rocoso son producto
del
peso de los estratos y adems de la geologa histrica del macizo
rocoso.
Este campo de esfuerzos son alterados al abrir una excavacin
subterrnea
y en algunos casos estas alteraciones producen esfuerzos que son
tan altos
que exceden la resistencia de la roca. En estos casos se produce
un
fracturamiento de la roca adyacente a la excavacin aumentando
estos
gradualmente con lo que se produce el cierre de la excavacin. En
casos
extremos, se producen estallidos de roca cuando hay una alta
concentracin de esfuerzos actuantes en una roca frgil.
4.2.1 DISTRIBUCION DE LAS FUERZAS EN UNA MASA
ROCOSA (Antes de ser afectado el equilibrio):
El estudio terico de la distribucin de fuerzas antes de que
se rompa el equilibrio debido a una excavacin subterrnea se
basa
en una serie de asunciones que se va a enumerar y discutir a
continuacin:
A) HOMOGENEIDAD E ISOTROPIA.-
Se entiende por homogeneidad a la medida de continuidad
fsica de un cuerpo. As, en un material homogneo, los
constituyentes estn distribuidos de manera que cualquier
-
50
fragmento diminuto extrado de cualquier parte del cuerpo,
tendr
constituyentes que conservan las propiedades representativas
del
todo. Por lo tanto, la homogeneidad depende en gran parte de
la
escala de magnitud de los fragmentos que lo forman segn lo
cual
ser posible describir una roca slida finamente granulada
como
homognea, mientras que una roca de grano grande con
dimensiones limitadas debe considerarse no homognea.
Entendemos por isotropa a la medida de las propiedades
direccionales de un material. Por ejemplo, en un sentido
estadstico, un cuerpo granular ser isotrpico s todos sus
granos
tienen orientacin indeterminada, y si un plano de igual
dimensin
que lo intersecta en cualquier direccin refleja un nmero igual
de
granos. As, como muchas rocas tienen una orientacin
determinada de partculas y cristales, vienen a ser
estrictamente
hablando rocas anisotrpicas que, tal como suponemos,
reaccionaran de diversas formas y en diferentes direcciones
frente
a las fuerzas segn el grado de anisotropa implicada.
Entonces la asuncin de que la roca es homognea e
isotrpica es la base en el estudio terico. Se ha objetado
esta
asuncin; sin embargo, ha servido como punto inicial para
luego
hacer estudios ms complejos. Adems, las rocas pueden ser
consideradas isotrpicas si sus cristales estn orientados al
azar.
-
51
B) PERFECTA ELASTICIDAD
La elasticidad es propiedad de un material ideal. Es
propiedad de los materiales de Ingeniera, incluyendo a las
rocas,
que en mayor o menor medida dependen de la forma en que
dichos
materiales se aproximan al modelo ideal.
Se ha considerado que la roca se comporta perfectamente
elstica, o sea que al ser sometida a una fuerza, su
comportamiento
se ajusta a la Ley de Hooke. La prctica ha enseado que las
rocas
no son perfectamente elsticas; sin embargo, pruebas
realizadas
han demostrado que para los efectos prcticos la relacin
proporcional entre fuerza y deformacin se cumple. En este
caso
ideal se asume que fallas y otros planos de debilitamiento
no
existen.
C) Que la presin en profundidad se debe nicamente al peso de
la
roca superyacente.
D) Que la densidad de la roca es uniforme e igual a "d", y que
la
atraccin gravitacional es uniforme a lo largo de la
profundidad
considerada.
E) Que la roca est libre de fuerzas remanentes debido a
movimientos
orognicos o a intrusiones volcnicas.
En base de las asunciones anteriores estamos en
condiciones de iniciar la discusin terica.
-
52
Todas las fuerzas que actan en un punto cualquiera dentro
de una masa rocosa pueden ser representadas por tres fuerzas
llamadas principales y a las que denominaremos Z, X e Y. La
primera es la fuerza principal vertical y las dos restantes son
las
fuerzas principales horizontales o laterales. Fig. N 6-A.
Si partimos de la ecuacin (I)
Z = d.h (por la asuncin N C)
....................................................... (I)
donde:
h = Es la profundidad del punto considerado y lo
suficientemente grande de manera que se tenga condiciones
de presin hidrosttica.
Supongamos que el punto considerado es un cubo de
tamao muy pequeo y sometido a presiones en todas las
direcciones (Fig. 6-A) por lo tanto su tendencia para
expandirse
lateralmente es impedida.
Haciendo uso de la ecuacin (II) queda la deformacin de
un cubo en la direccin x en funcin de la fuerza X. Por
simetra
ser fcil deducir que las fuerzas horizontales X e Y son
iguales.
Lx = 1/E X - (Y + Z)
...............................................................
(II)
X = Y
Donde :
-
53
Lx = Deformacin del cubo segn el eje X.
E = Mdulo de elasticidad.
X,Y,Z = Esfuerzos normales segn los ejes x,y,z,
respectivamente.
V = Relacin de Poisson.
Al no poderse deformar el cubo en consideracin no habr
deformacin segn el eje x; entonces Lx es igual a cero. Por
lo
tanto es fcil deducir la ecuacin (III).
d.h V - 1
V Z.
V - 1
VV Y X ..................................................
(III)
N V - 1
V Si
Por lo tanto : X = Y = N. d.h
..................................................... (IV)
De la ecuacin IV se ve que los esfuerzos principales laterales
son
n veces el esfuerzo principal vertical.
Para un valor mnimo de la relacin de Poisson, V = 0, las
fuerzas
principales horizontales son igual a cero.
Para un valor de la relacin de Poisson V = 0.5; las fuerzas
principales laterales son iguales a la fuerza vertical Z. En
este ltimo se
tendr que la roca llega a ser incomprensible y aunque la
posibilidad de
este valor parece imposible, hay evidencias que bajo condiciones
de gran
presin todas las rocas llegaran a un estado en el cual no
pueden
comprimirse ms, por lo tanto la relacin de Poisson tiende a 0.5
y el
-
54
campo de fuerza llega a ser hidrosttico, se asume que este
estado se
presenta en minas donde se trabaja zonas a gran profundidad.
Segn Hubbert (1951) las tres fuerzas principales no pueden
ser
iguales. Su explicacin se basa en el hecho que las masas rocosas
han
sufrido grandes movimientos orognicos durante los cuales
fueron
plegadas, fracturadas y falladas por lo tanto debe existir una
diferencia
sustancial entre la magnitud de las fuerzas principales.
Para la mayora de rocas se ha encontrado que la relacin de
Poisson vara entre 0.2 y 0.3 por lo tanto las fuerzas
horizontales varan
entre 0.25 y 0.43 veces la fuerza principal vertical.
Tambin la fuerza mxima de cizallamiento en una roca sin
minar
aumenta proporcionalmente con la profundidad esto se
demuestra
partiendo de la ecuacin (V), en la que Ss es fuerza de
cizallamiento en
funcin de las fuerzas principales Q y P segn los ejes p y q
perpendiculares entre s y a 45 con los ejes x e y
respectivamente. Como
esta fuerza es mxima en todos los planos inclinados a 4
horizontal, ser igual a 45 y entonces la ecuacin (V) se
transforma en la
ecuacin (IV), donde Sm es la fuerza mxima de cizallamiento.
Ss = 1/2 (Q - P)Sen 22.5
..........................................................................
(V)
Sm = 1/2 (Z - X)
......................................................................................
(VI)
Reemplazando las ecuaciones I y III en la IV tendremos:
-
55
Sm = 1/2 d.h V - 1
2V1
.................................................................
(VII)
4.2.2 DISTRIBUCION DE LAS FUERZAS ALREDEDOR DE UNA
LABOR SUBTERRANEA (luego de afectado el equilibrio).-
La distribucin de las fuerzas luego que se rompa el
equilibrio
existente dentro de una masa rocosa, por la ejecucin de una
labor
subterrnea, depende de las condiciones que primaron antes de que
se
minara esa masa rocosa, de la seccin y dimensin de la
excavacin
efectuada, de las condiciones geolgicas encontradas y de la
secuencia y
procedimiento seguidos al hacerse dichas excavaciones.
Muchas investigaciones aplicando el anlisis matemtico y los
mtodos fotoelsticos han sido efectuados con el propsito de tener
una
idea clara de la distribucin de las fuerzas alrededor de una
excavacin
subterrnea.
Una de las investigaciones mejor realizadas fue efectuada
por
Duvall del Bureau de los E.E.U.U., cuyos resultados se
publicaron en los
Reportes de Investigacin Nos. 4192 y 4387 en el ao de 1948.
Estas
investigaciones fueron realizadas usando mtodos fotoelsticos y
modelos
plsticos.
Antes de romperse el equilibrio de fuerzas que actan en un
punto
cualquiera de una masa rocosa, se tendr en este punto las
condiciones
discutidas en el captulo anterior. Roto el equilibrio al
efectuarse una
excavacin, el campo de fuerzas es modificado profundamente
debido a
-
56
que las lneas de fuerza que pasaron antes por la roca que fue
extrada por
la excavacin tiene ahora que desplazarse hacia adentro de la
roca y
alrededor del espacio abierto, tal modificacin es intensa
inmediatamente
alrededor de la cara libre y va hacindose mucho menor a medida
que se
va profundizando dentro de la roca y alejndose de las caras
libres.
Los cambios de las lneas de fuerza de ese campo ahora
perturbado,
la relacin de las fuerzas con respecto a las caras libres de la
excavacin,
la localizacin de las zonas donde hay mayor concentracin de
fuerzas y
las consecuencias que estas tienen en la "costra" alrededor de
la
excavacin son cuestiones que interesa para el estudio que
posteriormente
trataremos.
Por simplicidad se va a discutir la distribucin de las lneas
de
fuerza alrededor de un pique vertical de seccin circular y
excavando en
una masa rocosa en las que las fuerzas principales horizontales
son
iguales:
X = Y = N.Z = P
En la Fig. N 6-B, cualquier punto de la roca puede ser definido
por
tres coordenadas: Z, R, ; donde Z mide la componente vertical de
la
distancia del punto, desde el origen; R la distancia radial
desde la lnea
central del es un ngulo hecho por el vector radial del punto con
una
direccin arbitrariamente escogida.
-
57
Si R representa la fuerza normal segn la direccin radial a
travs
del punto considerado y representa la fuerza normal lateral segn
la
direccin perpendicular a r como se indica en la Fig. N 6-C, por
mtodos
standard dados en cualquier tratado sobre teoras de
elasticidad
obtendremos las ecuaciones VIII, IX y X.
R = P 2r
a - 1
2
..............................................................
(VIII)
T = P 2r
a 1
2
..............................................................
.. (IX)
S = 0
...........................................................................................
(X)
Donde a es el radio de la seccin circular de la pique y S es
la fuerza de cizallamiento.
Analizando las ecuaciones VIII, IX y X se pueden extraer
las siguientes conclusiones:
1.- Las fuerzas que actan en cualquier punto dentro de la
masa rocosa y alrededor de las paredes del pique dependen
slo de P y de la relacin a/r.
2.- En la periferie del pique, donde r = a la fuerza radial
es
igual a cero.
3.- El esfuerzo tangencial , tambin llamado esfuerzo
"circular", es mximo cuando r = a o sea en la periferie del
pique, llegando a ser igual a 2P.
-
58
4.- A medida que se deja la periferie y se penetra en la
masa
rocosa la relacin a/r disminuye y R aumenta, mientras que
T disminuye con el cuadrado de la distancia al centro del
pique y tericamente ambas fuerzas tienden a P.
5.- Aparentemente ambas fuerzas son independientes de .
6.- La fuerza de cizallamiento es mxima en el plano formado
por r y siendo igual a 1/2 (T - R) o igual a P(a/r). Por lo
tanto esta fuerza es mxima en la periferie de las paredes
del pique y decrece rpidamente a medida que se penetra
dentro de la masa rocosa. La fracturacin en la periferie es
debida en gran parte a esta fuerza.
La intensidad de las fuerzas aparentemente parecen
ser independientes del tamao de la seccin del pique, sin
embargo este valor necesariamente afecta la extensin de la
zona perturbada dentro de la masa rocosa.
7.- Las paredes de un pique en roca competente se fracturan
debido a las fuerzas de compresin que actan
tangencialmente a la "costra" de la seccin del pique.
8.- La Fig. N 7-A que representa la variacin del esfuerzo
tangencial muestra que la "costra" del pique est sometida a
fuerzas casi dobles en relacin con las que soporta el
material en una profundidad igual a 2a.
-
59
Duvall investig fotoelsticamente la distribucin de las
fuerzas
alrededor de secciones elpticas ovaladas, rectangulares con
terminales semicirculares y rectangulares uniaxiales
verticales,
encontrando que las dos ms importantes causas de las
concentraciones de fuerzas alrededor de las secciones
estudiadas
son:
- La relacin del "alto" al "ancho", que cuando eran menores
a la unidad causaban grandes concentraciones de fuerzas. Y
las esquinas muy pronunciadas que son causas de grandes
concentraciones de fuerzas. Duvall determin tambin que
en los terminales de los ejes verticales de simetra de la
secciones estudiadas se presentaban fuerzas de tensin las
cuales son tangenciales a la superficie y aproximadamente
de igual magnitud que la fuerza aplicada. La mxima
concentracin de fuerzas de comprensin en ningn caso
excedi a 3.25 en secciones donde la relacin de la altura al
ancho fue mayor que 1, y esta concentracin ocurre en la
regin de esquinas rectangulares ligeramente redondeadas.
La mxima concentracin de fuerzas de compresin se
obtuvo para secciones sujetas a cargas uniaxiales
verticales.
-
60
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMACION PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS
DISTRIBUCIN DE FUERZAS
Dibujado: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E. OCTUBRE 2003 FIGURA N6
-
61
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMACION PROF. DE ING. DE MINAS
DISTRIBUCIN DE FUERZAS A LO LARGO DE LOS EJES
Dibujo: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E. OCTUBRE 2003 FIGURA N7
Fig. 7a. Distribucin de las fuerzas a lo largo de ejes
horizontales de simetra para
una seccin practicada en una plancha infinita sujeta a
presiones
hidrostticas (Q. ISAACSON. Rock Pressure in Mines).
Fig. 7b. La curva punteada muestra la distribucin de esfuerzos
que se tendra al
inducir una fuerza artificial en profundidad a fin de reducir la
gran
concentracin de fuerzas tangenciales en la costra de una
excavacin (.J.J.
Reed. Quartekly of the Colorado School of Mines)
-
62
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMACION PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS
PLANOS DE FRACTURA
Dibujo: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E. OCTUBRE 2003 FIGURA N8
Fig. 8. Modelo de los planos de menor resistencia al
cizallamiento alrededor de una
seccin circular de un tnel (Mc. Cutchen).
Este modelo est computado para condiciones hidrostticas Relacin
de Poisson igual a 0.25 Punto A es un punto de presin hidrosttica
punto B donde no hay esfuerzos. Punto C, donde hay gran
concentracin de fuerzas
de comprensin. J.- Profuncidad de la roca perturbada.
-
63
La Fig. 7-B muestra el resultado de las investigaciones de
Mc Cutchen (1) "The Behavier of Rock and Massas in
Relation to Military Geologic"), artculo publicado en el
Colorado School Of Mines Quartarly, Vol 44, N 1, Enero
de 1949, quin comput la distribucin de las fuerzas
alrededor de un tnel de seccin circular y la posicin y
ubicacin de los planos de fractura. Sus clculos lo realiz
planos de cizallamiento y el plano de esfuerzos principales
mximos en cualquier punto. Fig. N 8.
4.3 CONCLUSIONES PRACTICAS DERIVADAS DE LOS PUNTOS
ANTERIORES SOBRE MECANICA DE ROCAS:
Como corolario de lo expuesto se dan a continuacin algunas
conclusiones que fueron posible gracias a las investigaciones de
muchos
estudiosos en la materia.
De acuerdo a las pruebas realizadas de cientos de especimenes
con
rocas encontradas en minas de diferentes caractersticas, se ha
demostrado
que la resistencia promedio a la comprensin de la mayora de
estas rocas
es del orden de 3,000 lbs/pulg (Windes 1,949, 1,950), lo que
demuestra
que el sostenimiento ofrecido por las paredes de una excavacin
es mucho
ms fuerte que el ofrecido por cualquier otro material pueda
ponerse para
el sostenimiento.
-
64
Por el hecho de que la roca in situ es un material ms fuerte
que
cualquier otro con que se le compare y se la reemplace, se debe
hacer
esfuerzos en el sentido de prevenir su fracturacin al efectuarse
una
excavacin. Esto se logra poniendo cuidado durante la
excavacin,
evitando maltratar las paredes y tambin dando a la excavacin
una
seccin regularmente redondeada a fin de evitar concentraciones
de
fuerzas en las especies.
Para aprovechar la resistencia de la roca in situ como soporte
se ha
sugerido estas dos posibilidades: (J. Reed, 1956)
1.- Distribuir dentro de las paredes slidas de la excavacin, de
tal
manera que la fuerza mxima no exceda la resistencia de la
roca,
este objetivo se lograr induciendo fuerzas de compresiones
tangenciales a las paredes y a moderadas profundidades, dentro
de
ellas. En la Fig 7-B, se muestra el efecto que se trata de
lograr
mediante lo indicado.
2.- Reforzar la roca en puntos crticos alrededor de las
cavidades para
evitar que la roca empiece a fracturarse y a desplazarse dentro
del
espacio abierto; no se refiere con esto a soportar la roca
con
cuadros u otro soporte que se coloque dentro del espacio vaco,
ya
que este tipo de sostenimiento recin comienza a trabajar
cuando
ya la "costra" se ha fracturado y ha empezado el desplazamiento
de
las paredes hacia la cavidad vaca. El sostenimiento del cual
estamos hablando es el logrado con el uso de pernos de
anclaje.
-
65
Por ltimo se puede aseverar que una vez que las paredes
de una cavidad se han desplazado an en pequea proporcin,
ellos
ya no son capaces de contribuir a su propio soporte.
-
66
CAPITULO V
PERNOS DE ANCLAJE
5.1 HISTORIA DE LOS PERNOS
Durante la historia de la minera, el sostenimiento de roca
ha
constituido uno de los principales problemas que se ha
presentado en la
extraccin econmica de minerales El enmaderado y la mampostera
han
sido los mtodos exclusivamente empleados para este propsito
hasta
comienzos del Siglo XX. Con el desarrollo del cemento Portland y
la
produccin de acero en gran escala, durante el comienzo del
presente
siglo, se empez a utilizar el concreto armado y los perfiles de
acero; pero
siempre siguiendo las normas convencionales de los cuadros de
madera y
arcos de mampostera. No hubo sin un cambio de material.
-
67
Con la Segunda Guerra Mundial se desarroll un mtodo
diferente
de sostenimiento y control de roca: los pernos de anclaje. El
mtodo de
empernar la roca introdujo una nueva teora en el campo del
sostenimiento,
pues hasta entonces la tcnica se haba apoyado en la resistencia
a la
comprensin, y, algunas veces, a la flexin del material; ahora el
sistema
se apoyaba a la traccin y en el principio de refuerzo de la roca
in-situ.
Originalmente los pernos de anclaje fueron hechos de madera;
pronto se hicieron de acero, por la superior calidad de este
material. Los
pernos de anclaje comenzaron a demostrar un amplio campo de
aplicacin
en la minera subterrnea y a desplazar los mtodos convencionales,
en
una creciente variedad de aplicaciones. Los pernos de anclaje
originales
fueron perfeccionados y variados sus elementos para usos
especficos; as,
se implantaron los pernos cementados con mortero de cemento
Portland y
con resinas orgnicas sintticas.
El primer cmputo de empernado conocido y publicado fue de
una
mina de carbn en Sicilia Superior (ahora Polonia) en el ao 1918;
donde
fue usado para reforzar el revestimiento de concreto que defenda
el lecho
de la va y tambin para asegurar el esquisto poco resistente
anclndolo en
la capa superior de la arenisca.
El primer estudio, extenso y sistemtico sobre empernado de
rocas
fue hecho por St. Joseph Lead Ca. para sus minas en el Sud-este
de
Missouri a fines de 1,920. Estos pernos fueron cementados dentro
de los
huecos del taladro y los extremos fueron enganchados.
-
68
Aunque los pernos de anclaje han sido usados en forma aislada
por
un largo perodo, muy poca gente en la Industria Minera tuvo
conocimiento en la prctica hasta la publicacin de un artculo de
W.W.
Weigel titulado "Hierro de Canal para Control de Techo"
aparecido en
Mayo de 1,943, emisin de ENGINEERING AND MINING JOURNAL.
Este describe las instalaciones de empernado en las minas de St.
Joseph
Lead Co. y cre considerable inters dentro de la Industria
Minera. Sin
embargo, la poca duracin del acero y la guerra no permiti el
avance en
su desarrollo en forma considerable, hasta el ao de 1,947. En
ese ao, el
Bureau de Minas de los E.E.U.U. se interes activamente en el uso
de
pernos de anclaje para el sostenimiento subterrneo poniendo
especial
cuidado en la seguridad, mayormente en las minas de carbn,
emplendose
considerable tiempo y gran esfuerzo de investigacin respectiva a
la
aplicacin tcnica y prctica del empernado de roca.
Al principio las mismas compaas hacan sus pernos para despus
solicitar la colaboracin de los talleres mecnicos.
Las primeras producciones masivas fueron hechos de
materiales
semejantes a los hechos en las maestranzas de las minas de carbn
de poco
contenido de acero, teniendo una fuerza de tensin de
aproximadamente
60,000 lbs/pulg., suministrando las siguientes fuerzas de
rotura:
Pernos de 1" , tipo ranurado con 36,000 lbs.
Pernos de " , tipo expandible con 20,000 lbs.
-
69
En los aos de 1,953 y 1,954, los canadienses llevaron a cabo
pruebas completas del empernado de roca, reglamentndose el
programa
del empernado; posteriormente, se comenz a investigar el
aspecto
econmico de los pernos de anclaje, para lo cual las empresas
suministraban las diversas necesidades de utilidad a los
fabricantes; es as
que se logr obtener pernos de 5/8" y 3/8" que reemplaz a los de
"
y 1" respectivamente, con igual o ms resistencia. Lo mismo
sucedi con
los casquillos expandibles de los pernos que originalmente eran
para
huecos de 1 3/8" ; se logr abastecer casquillos expandibles para
huecos
de 1 1/4" , reducindose el costo.
En lo que respecta a la Minera Peruana, la introduccin de
los
Pernos de Anclaje, se debe a la Cerro de Pasco Corporation, la
cual
inclusive tena un Departamento de Investigacin sobre el
particular.
5.2 TEORIA DE SOSTENIMIENTO DE LA ROCA MEDIANTE LOS
PERNOS DE ANCLAJE
La funcin primordial, como ya se mencion, de los pernos de
anclaje es la de lograr que el terreno mismo forme parte
integral de la
estructura de soporte, o, ejecutar el sostenimiento del terreno
afirmndolo;
previniendo la falla o defecto del terreno que ocasionara la
descarga de la
energa potencial latente o limitando el movimiento de la roca o
travs de
un plano de mnima resistencia; consiguindose el xito del
soporte,
mediante la creacin de esfuerzos segn el eje del perno.
-
70
Como ocurre en la mayora de las innovaciones, los pernos de
anclaje empezaron a usarse en forma emprica, luego surgieron
hiptesis
que intentaron explicar su buen resultado en la prctica; lo cual
di origen
a su sistematizacin y perfeccionamiento.
Se ha esbozado muchas hiptesis, en este intento, de los cuales
las
que mayor aceptacin han tenido son:
A) Suspensin
B) Consolidacin de viguetas.
C) Creacin de una zona de compresin normal a los ejes de los
pernos.
D) Aumento de la friccin en los planos de corte.
E) Aumento de la resistencia aparente a la compresin, debido a
la
restriccin lateral.
A continuacin analizaremos en detalle, cada una de estas
hiptesis:
A) SUSPENSION:
Esta categora incluye aquellos casos en los cuales los
pernos son empleados para asegurar fragmentos o secciones de
roca que estn flojos y que pueden caerse; planchas pequeos o
fragmentos que son tumbadas despus del disparo cuando ellos
no
constituyen una parte integrante de la estructura de la roca si
ha
sido firmemente empernada; tambin se puede incluir blocks que
se
-
71
han formado por fracturas o grietas de tal forma que ellos
pueden
subsecuentemente aflojarse y caerse. Schmuck recomienda que
siempre que un perno se necesite para sostener la carga total de
los
fragmentos de roca, debe tener un anclaje lo suficientemente
fuerte
y una fuerza total para proveer un factor de seguridad de por
lo
menos 3.
B. CONSOLIDACION DE VIGUETAS: (Como Viga de
Construccin)
Hasta el presente una gran parte de los pernos se han usado
en rocas estratificadas. En depsitos horizontales los pernos
se
colocan en la roca interestratificada para apretar las capas
en
conjunto de manera que acte como una sola viga capaz de
sostenerse por s misma y estabilizar de esta manera las
capas
superpuestas. Los pernos deben ser suficientemente largos
como
para formar una viga monoltica, la cual debe sostenerse por
s
misma y no estar suspendida de la capa a la cual los pernos
estn
anclados.
Esta hiptesis se aplica, especficamente, a aberturas
tabulares horizontales, del prototipo que se presenta en la
minera
del carbn y otros depsitos de mantos. Es caracterstica
predominante, en estos depsitos, los techos formados por
capas
sedimentarias paralelas a la cara libre de la abertura. La
explotacin
-
72
de dichos depsitos crea techos con una luz (L) grande, en
comparacin con el espesor (t) de las capas, comnmente con
una
relacin L/t mayor de 30. En estas condiciones las capas se
comportan como vigas doblemente empotradas que fallan a la
flexin.
El empernado perpendicular a estos techos (Fig. 9) restringe
los esfuerzos a los cortes horizontales, mediante el aumento de
la
friccin entre las capas y la resistencia al corte de los
propios
pernos. Al restringir el corte horizontal, las capas se
comportan
como una viga "monoltica" de espesor igual a la longitud del
perno. Como es sabido, la resistencia a la flexin, de una
viga
monoltica rectangular, aumenta con el cuadrado del nmero de
los
espesores parciales; mientras que en una superposicin de
vigas
parciales la resistencia aumenta directamente con el nmero de
los
espesores parciales.
As, cinco capas superpuestas soportarn como 10, mientras
que las mismas capas empernadas soportaran como 32.
En el clculo terico de un sistema de empernado entrarn
las siguientes variables: esfuerzo a la flexin de la roca, luz
entre
apoyos, espesor de las capas, densidad de la roca y alguna
otra
carga identificable. Con la teora de vigas se halla el espesor
de la
viga que es la longitud del perno, la luz mxima permisible que
es
-
73
el espacio entre pernos y los esfuerzos horizontales que, en
ltima
instancia, proporcionan el espesor del perno.
Fig. No. 9
En la prctica, las capas son discontinuas y presentan
fracturas e irregularidades, para lo cual se han
desarrollado
frmulas empricas ms o menos aceptables. As L.A. Panek, del
Bureau de Minas de los E.E.U.U. ha presentado la siguiente
frmula:
w
D3
1
2
1- 1) -NP(h/t
(bL) 0.265
donde:
D = Disminucin de la deformacin a la flexin, debido
al empernado, como una fraccin decimal de la
deformacin antes del empernado.
N = Nmero de pernos por fila, a lo ancho de la abertura
para pernos equidistantes.
-
74
P = Tensin de los pernos.
h = Longitud del perno, in.
t = sor promedio de las capas, in.
w = unitario de la roca, lbs/in3
b = ancla entre fila de pernos, in.
L = de la abertura, in.
El valor de D, as obtenido, se substituye en:
D - 1
1 RF FR
y se obtiene el llamado Factor de Refuerzo (RF). Un sistema
de
pernos de anclaje con mayor RF proporciona mejor
sostenimiento
total. El mismo Panek recomienda conseguir un RF mayor de 2.
Esta frmula d valores semejantes al clculo terico.
C) FORMACION DE UNA ZONA DE COMPRESION
NORMAL AL EJE DE LOS PERNOS.
Esta hiptesis fue planteada por Lang, Pender. Al empernar
una cara de roca, el perno se tensiona ocasionando la aplicacin
de
dos fuerzas colineales iguales y opuestas; una en la plancha en
la
cara de la roca y la otra en el anclaje (Fig. 10).
Estas fuerzas causan una presin en la roca entre ellas, cuya
distribucin se acerca a la determinada por Boussinesq, para
un
slido isotrpico, elstico y semi infinito. Como la compresin,
slo es tal mientras sea vectorialmente mayor a la tensin
existente
-
75
en la periferie de las aberturas subterrneas, se puede trazar
una
curva de Boussinesq en donde la presin sea cero (Fig. 11).
Dentro
de la parte cncava de la curva existe compresin y fuera de
ella,
persiste la tensin.
Determinando, por mtodos experimentales, la tensin
existente en la periferie de la abertura y sustituyndola por 0,
se
puede trazar la curva de cero presin, puesto que P se conoce
por
ser la tensin dada al perno.
S se coloca otros pernos a continuacin, perpendiculares a
la cara, cada uno tendr una distribucin de presiones
iguales.
Distribucin de Boussinesq
de Cero Presin
Fig. N 10: Fuerzas Colineales
Fig. N 11: Curva de Boussinesq
-
76
Ahora, s la distancia entre estos pernos es tal que las reas
de
compresin se superponen, habr una franja de compresin
continua.
En general, esta hiptesis se presta para el clculo estricto
de un diseo de pernos de anclaje.
D) AUMENTO DE LA FRICCION EN LOS PLANOS DE
CORTE
Esta hiptesis se basa en la existencia de esfuerzos
cortantes
en la periferie de ciertas aberturas subterrneas. Este fenmeno
es
muy frecuente en tajeos de vetas inclinados por los mtodos
de
corte y relleno y reduccin (mtodo que tratamos en el
siguiente
tema). En estas cavidades se presentan caras ms o menos
planas,
expuestas en grandes tramos.
La presencia de esfuerzos al corte produce el
descascaramiento de la roca en lajas y la cada posterior de
estas.
Al caer una laja le quita el sostn a la inmediata interior, lo
cual
desarrolla un pequeo desplazamiento. El desplazamiento crea
una
abertura en donde el aire y/o humedad fomenta la destruccin de
la
liga intermolecular con una consecuente segunda cada de roca.
El
ciclo contina hasta provocar un derrumbe total.
S la roca est compuesta de capas sedimentarias o de otra
ndole, este efecto se acenta.
-
77
El empernado de estas caras, perpendicular a la direccin de
los esfuerzos cortantes (generalmente paralelos a la cara), crea
una
presin normal a estos, segn la relacin de Coulomb.
T = c - tg
en donde:
T = esfuerzo al corte.
c = cohesin resistente al corte o independiente de la
presin normal.
= presin normal.
= ngulo de friccin interna.
Los smbolos c y se suponen constantes para cada
material; sin embargo, varan con la velocidad de aplicacin de
la
carga, por lo que la ecuacin anterior no sera una recta sin
una
curva; pero, para propsitos de ilustracin, la Relacin de
Coulomb
se puede considerar como una recta e ilustrar como en la Fig.
N
12.
c
Fig. No. 12
c
T
-
78
Cuando la cara de un tajeo est expuesto libremente, presenta
una
resistencia al corte, determinada por T - c. Al empernarla y
aplicar
a los pernos una tensin o se aumenta la resistencia al corte,
segn
la Relacin de Coulomb. Se deduce as, que este aumento
depende
nicamente de la tensin de los pernos y que sta tiene slo por
limitaciones la resistencia la anclaje, la resistencia a la
tensin de la
barra y al esfuerzo ltimo a la comprensin de la roca.
E. AUMENTO DE LA RESISTENCIA APARENTE A LA
COMPRESION DEBIDO A LA RESTRICCION LATERAL.-
Esta hiptesis puede plantearse en la forma siguiente: "la
resistencia a la compresin aumenta con el confinamiento
lateral".
Sus fundamentos se observan en el sostenimiento de aberturas
subterrneas profundas, en donde la naturaleza de los esfuerzos
se
aproxima a la hidrosttica.
En rocas situadas a profundidad los esfuerzos obedecen a
leyes muy semejantes a la de Pascal, este es, una presin
aplicada
se reparte igualmente en todas direcciones.
F) REFUERZO DE LAS CAJAS CONTRA LA ACCION
COMPRESIVA O DE PRESION.-
En una abertura donde el peso de las rocas superyacentes es
bastante fuerte y por ende las presiones verticales; se
producirn
descostramiento de las capas o paredes de las galeras o
tajeos,
estas son las zonas donde se concentran los esfuerzos de
-
79
compresin y que ocasionan fallas, los cuales son compensados
por
las presiones laterales horizontales producidos por los
pernos
tensionados, impidiendo el aflojamiento o deslizamiento de
las
rocas, de la capa en sentido descendente en forma vertical.
Es muy importante, en este como en todos los casos, el
perno se encuentre suficientemente tensionado, de lo contrario
es
posible que la carga de las paredes o capas, no se
consideren
estticas, ocasionando el quebrantamiento de la roca y por lo
tanto,
en estas circunstancias, los pernos trabajaran ofreciendo
resistencia
a los esfuerzos cortantes, lo cual es negativo ya que el perno
resiste
muy poco al corte con respecto a la tensin.
5.3 CLASES DE PERNOS DE ANCLAJE
5.3.1 PERNOS DE RANURA Y CUA :
Este perno es una barra de acero de seccin circular (de 22
a 30 mm de y de 0.5 a 2.5 mts. de long.) ranurado por un
extremo y roscado por el otro. Sobre el extremo ranurado lleva
una
cua y sobre el extremo roscado una tuerca y una placa de
apoyo.
(Fig. N 13).
Este tipo de pernos es colocado en un hueco perforado, con
la cua parcialmente introducida en la ranura, hasta alcanzar
el
fondo del hueco y como la cua es de mayor espesor que la
ranura
ste ltimo al avanzar se abre y se sujeta en las paredes del
hueco
-
80
perforado. De esta manera la parte interior del perno se fija
sobre la
roca. En el extremo roscado se coloca una placa de apoyo (de 20
x
20 cms. y de 8 a 10 mm de espesor) y una tuerca la que
ajustada
con una mquina que le d una fuerza de torsin determinada,
obtenindose as un extremo del perno fijado en la roca. La
tensin
del perno causar compresin en la roca y har que esta se
sostenga
por s misma o sea por la tensin que induce el empernado a la
masa rocosa.
A. CLASES :
Las diferencias del diseo entre los tipos de perno, cua y
ranura se limitan al tipo de rosca y a la tcnica de preparacin
de la
ranura.
De acuerdo a la rosca, este puede ser torneada o prensada.
Cuando es torneada, en su fabricacin el material es removido
y
eliminado de la varilla, resultando la parte roscada de pequea
rea
efectiva; as por ejemplo, si tomamos la varilla de 1" de
rosca
torneada de la marca N.C. (National Coorse), que tiene 8 vueltas
de
rosca por pulgada, la reduccin de su resistencia a la tensin
debido a su rosca torneada es del 23%. En cambio, s la parte
roscada est hecha de acero sometida a torsin, prensando la
rosca
en el acero y trabajando en fro el metal, se aumentara las
propiedades fsicas del acero.
-
81
El extremo ranurado del perno puede ser de un corte plano.
La ranura, tericamente, es de poca resistencia ya que el
material
es removido durante su fabricacin, el residuo o sea, la
porcin
ranurada del perno queda como un rea efectiva ms pequea.
A continuacin presento un resumen obtenido
independientemente de la Anaconda Cooper Mining Company y de
la Virginia Institute Politechnic, despus de largos
experimentos
hechos con ranura de rosca, en el orden en el cual se presentan
es
el orden de mayor resistencia en su funcionamiento, as:
Resistencia al Anclado Resistencia a la Tensin
1. Ranura forjada 2. Ranura cortada 3. Ranura torneada tratada
con
fuego
1. Ranura cortada 2. Ranura tornada tratada con
fuego
3. Ranura forjada
Como el rea de esfuerzos que se nombr anteriormente, se
utiliza para calcular la resistencia a la tensin, sta se
puede
calcular de la siguiente manera:
Pongamos un crculo imaginario roscado; el rea de
esfuerzos del crculo de dimetro D estar dado por:
4
3d" - d' D
donde:
d' = Dimetro exterior de la rosca.
d" = Dimetro interior de la rosca.
Nota.- Esto es un resultado experimental.
-
82
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE FORMACION PROF. DE ING. DE MINAS
PERNO TIPO CUA
Dibujo: Carlos Luis Colqui Huamn
ESCALA: S/E. OCTUBRE 2003 FIGURA N13
-
83
B. MECANICA DEL ANCLADO.:
En la prctica un perno de roca fallar cuando al anclarlo
no se puede conservar fijo en el lugar y se suelta o cuando se
ha
alcanzado el esfuerzo mnimo de fluencia del acero.
Para mayor comprensin analicemos que es lo que ocurre
cuando el perno de ranura y cua se introduce en el hueco
perforado. Cuando se est llevando acabo el martilleo sobre
el
perno, ocurre simultneamente dos movimientos: el primero es
longitudinal, de los brazos de la ranura hacia el fondo y el
segundo
es diametral y viene a ser la expansin de los brazos de la
ranura
contra las paredes del hueco por accin de la cua,
originndose
entones:
a.- Que es la fuerza friccional entre los brazos de la ranura
y
las cajas del hueco.
b.- Fuerza friccional entre la cua y la ranura.
c.- Reaccin causada por el apoyo del perno en la roca sobre
el
surco formado.
Ver Fig. N 14.
De estas tres fuerzas, (a) y (b) oponen un movimiento o no
parte del perno. Si
![8. PEI GIRRSS Para Dsllo Sost[1]](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/55cf8cf15503462b1390afd7/8-pei-girrss-para-dsllo-sost1.jpg)
