fotificación metálica

FORTIFICACION METALICA

Las cualidades de los aceros utilizados en la fortificación metálica, ha llevado a desplazar a la madera en muchas faenas, especialmente en aquellas en que se requiere una inmovilización fuerte, en aquellas en donde hay techos más pesados, debido al aumento de la profundidad o bien en aquellas labores de gran sección.

Las características principales del acero utilizado para fortificación se resumen en:

Es un material muy homogéneo, manufacturado metalúrgicamente, libre de defectos naturales.

Tiene un modulo de elasticidad mucho más elevado que otros materiales estructurales, lo que le da una ventaja contra las deformaciones.

Se puede manufacturar en forma de aleaciones.

Es un material que resulta menos afectado por las condiciones atmosféricas como la temperatura y la humedad.

Fortificación Metálica

De acuerdo a la forma de la sección y a la resistencia requerida, los marcos están constituidos por elementos rectos o de arco de círculo, distinguiéndose los siguientes:

1. Marco Trapezoidal

2. Marco Articulado

3. Marco Circular

4. Marco Deslizantea. Marco Perfil TH 44 Kg./m.

b. Marco Perfil TH 36 Kg./m.

c. Marco Circular Perfil TH 44 Kg./m.

5. Postes y/o Cabezales de Acero

a. Poste de Fricción

b. Poste Hidráulicos

c. Unidades Mecanizadas

1. Marco Trapezoidal

Es un marco rígido. En este marco tres vigas reemplazan a las piezas del marco de madera. La viga superior trabaja a flexión y los pilares a pandeos ( en casos de presión lateral también trabajan a flexión).

Pandeo

Flexión

2. Marco Circular

Es un marco rígido. La idea del marco circular se ha extendido progresivamente en las minas y por último se ha impuesto. La ventaja de éste está en que, como su parte convexa se apoya sobre el terreno, no puede doblarse. Las tensiones exteriores que tienden a reducir la sección de la galería dan lugar a la formación en el interior de un perfil, de fuerzas de comprensión, a las que el material resiste mucho mejor que a las de flexión.

3. Marco Articulado

El marco articulado más común es el tipo MOLL. Esta constituido por piezas largas de cabezales de madera y con secciones arqueadas de acero que se apoyan en estos. Estos marcos pueden tener dos o más articulaciones, las cuales pueden tener diferentes formas.

El propósito de este tipo de marcos es que la madera que interviene en su construcción absorba las presiones que se ejercen sobre el marco.

3. Marco Deslizante

Es aquel que sufre desplazamientos relativos entre sus elementos constituyentes, al ser solicitada por una presión o carga.

La idea del sostenimiento deslizante fue desarrollada en Alemania en 1923 por TOUSSAINT - HEINTZMANN (T.H). Para ello se utilizaron perfiles de acero en forma de canal que se encajaban uno en el otro, desplazándose cuando estaban sometidos a presión.

Dependiendo del tipo de marco deslizante (T.H), los elementos que lo componen son:

Una corona y Dos paramentos

La corona se encaja en los paramentos, realizándose la unión por medio de abrazaderas, las cuales tienen una importancia fundamental para el buen funcionamiento del marco ya sea en su resistencia y en su cedencia.

Los marcos Alemanes (T.H), en su colocación van unidos entre si mediante puntales de perfil acanalados (tirante de marco Alemán) de largo diferente según sea el caso, los que impiden el movimiento lateral de ellos. La fijación de los tirantes se obtiene por medio de las abrazaderas de tirantes y pernos J.

a. Marco Perfil TH 44 Kg./m.

Se usan en sectores altamente presionados y en cerros muy incompetentes.

El espaciamiento entre marco varía entre 40 y 80 cm. La sección necesaria mínima para este marco es de 4,2 x 3,8 m.

Según pruebas se ha podido constatar una resistencia de hasta 80 toneladas.

b. Marco Perfil TH 36 Kg./m.

Se utilizan en sectores con menor presión.

El espaciamiento entre marcos varía entre 80 y 160 cm. La sección mínima de la labor debe ser de 2,8 x 2,8 m.

c. Marco Circular Perfil TH 44 Kg./m.

Se usan en secciones altamente presionadas con levantamiento de piso.

Su forma es prácticamente circular, empleándose 4 segmentos con un diámetro interior de 3,5 m.

Necesita una sección mínima de 4,2 x 4,2 m.

Van espaciados generalmente a 80 cm.

Todos los perfiles de marcos alemanes son de acero tratado térmicamente y curvados en frío.

Los tirantes y abrazaderas son de aceros tratados y con ocho milímetros de espesor.

Los pernos J son pasadores de acero con tratamiento térmico, teniendo en un extremo hilo y en el otro extremo un dobles. Llevan tuercas hexagonales de acero corriente.

3. Postes y/o Cabezales de Acero

Este tipo de fortificación es muy utilizado en las frentes largas de las minas de carbón.

En este caso un marco se compone de un poste y un cabezal que se colocan en forma de T.

Los calces o cuñas de madera se pueden colocar según las condiciones del techo.

POSTES

CABEZALES

CUÑAS DE MADERA

Los postes son telescópicos, fabricados de dos piezas que se deslizan una dentro de otra y se colocan según el espesor del manto.

Los cabezales son vigas simples en forma de I que tienen una articulación y un mecanismo de colocación para soportar el techo durante un corto tiempo.

A medida que se avanza en la explotación los marcos de la fila de atrás se trasladan a la fila de adelante, hundiéndose el techo de la parte trasera en este avance.

a. Postes de Fricción

Este poste está formado por una pieza cilíndrica exterior y una pieza interior que se conectan por medio de placas de desgastes o de frotamiento, sosteniéndose la altura deseada por medio de cuñas.

b. Postes Hidráulicos

Los problemas en la utilización de los postes de fricción, ya sea por rozamiento, el desgaste de la zona de fricción y otras dificultades hicieron que fuera necesario un poste mejor que trabajara hidráulicamente.

En este caso el poste se levanta y se aprieta mediante una bomba de mano, por medio de un émbolo, válvulas y un fluido de aceite se logra subir o bajar el cilindro interior del poste.

c. Unidades Mecanizadas

Como los postes de fricción y los hidráulicos no iban a la par con le paso de la extracción mecanizada, se desarrollo un nuevo sistema de diseño hidráulico, con postes y cabezales incorporados en una sola unidad y conectados a los transportadores blindados para avanzar simultáneamente.

Tales sistemas se llamaron “Cuñas Caminantes” , pues avanzan por si misma tiradas por el transportador.

ESCUDO

BASE

PATAS HIDRAULICAS

SISTEMA DE CONTROL

PERNOS DE ANCLAJE

El sistema de estabilización más utilizado en la actualidad en la minería subterránea es el apernado, cuyo uso data del siglo XIX, y que en las últimas décadas se ha transformado en una excelente alternativa a los tradicionales sistemas de reforzamiento en minería y obras civiles.

PRINCIPALES RAZONES PARA PREFERIR ESTE SISTEMA DE SOSTENIMIENTO

Puede ser utilizado en excavaciones de cualquier geometría.

Tiene un costo económico comparativamente bajo.

En general es de fácil instalación. Es posible de mecanizar totalmente su instalación.

Factible de adaptar su diseño a las condiciones locales de la roca.

Puede combinarse con otros sistemas de soportes.

CLASIFICACIÓN DE LOS PERNOS DE ANCLAJE Los pernos de anclaje se pueden clasificar de 2

maneras:

a. Según la Forma de Anclarlos

b. Según su Forma de Actuar

Pernos de Anclaje Puntual.

Pernos de Anclaje Repartido.

Pernos Mixtos.

Pasivos: deben colocarse antes que se produzca la acomodación de la roca.

Activos: estos pueden colocarse en cualquier momento.

TIPOS DE PERNOS DE ANCLAJE

PERNOS DE ANCLAJE PUNTUAL

ACTIVOS - PASIVOS

1. PERNOS DE CONO

2. PERNOS DE ANCLAJE MECANICO

ANCRALL

ARS-SUR-MOSELLE

BOLTEC

GOLDENBERG

PATTIN

PERNOS DE ANCLAJE PUNTUAL

También se les llama con Cabeza de Expansión. Esta clasificación corresponde a los pernos que

poseen en el extremo que va dentro de la perforación un mecanismo de expansión que permite su anclaje en la roca y en otro extremo una placa que se aprieta con una tuerca sobre la roca.

Fueron muy populares hace 20 años, pero hoy en día están en desuso, porque en rocas con resistencias a la compresión menores de 1500 psi la roca se muele y se suelta el perno.

Se pueden utilizar según la forma de actuar en pasivos y activos.

1. PERNOS DE CONO

Estos pernos consisten en una barra que en el extremo que va en el interior de la perforación posee una ranura donde va soldado un cono. Al golpearlo contra el fondo de la perforación el cono entra en la ranura, donde el perno se expande y se ancla. Como todos estos tipos de pernos, en el otro extremo poseen una planchuela.

El mayor inconveniente de este perno es que requiere que la perforación esté de acuerdo al perno. Una perforación muy larga no permite que el cono toque el fondo y funcione el mecanismo, y perforaciones muy cortas dejan demasiado perno afuera y se requiere hacer un hilo más largo para tuercas de apriete.

2. PERNOS DE ANCLAJE MECANICO Los pernos de anclaje con cabeza de expansión son

los más usados comúnmente ya sea en aplicaciones mineras como en civiles.

A medida que el perno es rotado, una cuña que el perno lleva en su extremo es tirada dentro del casquillo cónico de expansión. Esto hace que el casquillo, al expandirse, se apriete contra la pared de la perforación, produciendo así el anclaje del perno.

Si se quiere para aplicaciones en sistemas de sostenimiento definitivo, el espacio entre el perno y la perforación puede ser relleno con lechada de cemento o resina.

Estos pernos sean utilizados en rocas duras o medianamente duras. No deben utilizarse para rocas muy duras, ya que esta condición impide la expansión del casquillo y el perno se suelta bajo las cargas del terreno.

Se recomienda que:

PLACA

GOLILLA

TUERCA

PERNO

CABEZA

DE EXPANSIÓN

PERNO

El costo es relativamente bajo.

VENTAJAS

Entrega inmediatamente después de ser instalado, la acción de sostenimiento.

Con la acción de rotar el perno, la tensión se entrega en la cabeza del perno, en contacto con el macizo rocoso, repartiendo la tensión en todo el perno.

Aplicando algún tipo de relleno, después de tensar el perno, puede servir como sostenimiento permanente.

Es un sistema versátil de sostenimiento para condiciones de roca dura.

Su uso está limitado a rocas medianamente duras o duras.

DESVENTAJAS

Debe ser monitoreado y chequeado para verificar si las condiciones de tensión aplicadas se mantienen en el tiempo.

Pierde su capacidad de sostenimiento como resultado de las vibraciones de las tronaduras o cuando la roca se deteriora alrededor del collar de la perforación producto del alto esfuerzo de la roca.

Algunos antecedentes de diseño de Pernos de Anclaje Mecánico:

Calidad del acero del perno : 70 Kp/mm2

Diámetro del perno : 16 mm

Resistencia a la cedencia : 14 ton

Resistencia a la ruptura : 18 ton

Peso del perno s/ (Planch. + Tuerca) : 2 Kg/mt

Largo del perno : sin restricciones

Diámetro de la perforación : 35-38 mm

Tipo de perno : Acero liso.

PERNOS DE ANCLAJE REPARTIDO(PASIVOS)

PERNOS CON LECHADA DE CEMENTO

PERNOS DE MORTERO

PERNOS CON RESINA EPÓXICA

PERNOS REUSABLES DE ANCLAJE MECÁNICO

PERNOS DE FRICCIÓN SPLIT SET

SWELLEX

TIPOS DE PERNOS DE ANCLAJE

3. PERNOS CON LECHADA DE CEMENTO

También se les conoce como Pernos de Procedimiento Inyecto.

Estos pernos han sido utilizados tanto en aplicaciones de ingeniería de minas como civiles. Normalmente se usa un perno de acero estriado de longitudes variables (fierro de construcción).

Una lechada de cemento con acelerador es bombeada en la perforación y después se introduce el perno a presión.

La lechada a veces penetra en las grietas de la roca sellándolas y mejorando la resistencia de la roca.

CARACTERISTICAS DE LA LECHADA DE CEMENTO

La calidad de la mezcla de agua y cemento más adecuada para ser utilizado, ha sido definida, estudiando las variaciones que se producen en el esfuerzo de compresión uniaxial y al módulo de deformación, al aplicar diferentes cargas, con diferentes razones agua/cemento.

La experiencia ha demostrado que con razones de agua/cemento de 0,35 a 0,40, se logran resultados significativamente superiores que con otras dosificaciones.

Razones de agua/cemento superiores e inferiores a las indicadas, nos determinarán mezclas más fluidas que conllevarán en cada caso dificultades particulares de manipulación y colocación.

El tiempo de colocación de la lechada de cemento dependerá de la dosificación de la misma.

Es un sistema de sostenimiento competente de alta duración.

VENTAJAS

La posibilidad que el perno sea afectado por la corrosión, es mínima.

El sistema permite que el perno actúe con altas cargas en diferentes condiciones de roca.

Es un sistema de alto costo.

DESVENTAJAS

El cemento estándar requiere algunos días antes que el perno pueda tomar carga.

La calidad de la mezcla agua/cemento es difícil de chequear y mantener constante.

Algunos antecedentes de diseño de Pernos con Lechada de Cemento:

Calidad del acero del perno : 110 Kp/mm2 Diámetro del perno : 20 mm Resistencia a la cedencia : 28 ton Resistencia a la ruptura : 34 ton Peso del perno s/(Planch.+ Tuerca) : 2,6 Kg/mt Largo del perno : sin restricciones Diámetro de la perforación : 35-38 mm Tipo de perno : Acero con estrías prof.

4. PERNOS DE MORTERO

También se les conoce como pernos de sistema Perfo. En este caso se utiliza un mortero rico en cemento y con acelerador.

El mortero se coloca en 2 medias cañas agujereadas que se unen formando un cilindro que se introduce en la perforación, posteriormente se introduce el perno que puede ser un fierro de construcción que desplaza parte del mortero por los orificios produciendo la adherencia a la roca.

Se utiliza en reemplazo del inyecto cuando se requiere de fortificaciones más pesadas.

SEMI TUBO PERFORADO

MORTERO

SEMI TUBO UNIDOPOR ALAMBRE SEMI TUBO

DESPLAZADO

4. PERNOS CON RESINA EPOXICA

Es similar al sistema Perfo, pero se utiliza una resina epóxica que viene en un cartucho con envoltorio plástico o en una botella de vidrio donde están los dos componentes en compartimentos separados, en los cuales el exterior contiene la resina y el interior el elemento catalizador.

Los cartuchos de resina epóxica son empujados dentro de la perforación, luego el perno de anclaje también es introducido y rotado, rompiendo el cartucho y provocando la mezcla de los componentes.

Es un sistema de anclaje del tipo temporal y que puede transformarse en permanente al ser instalado con un relleno combinado de resina epóxica y lechada de cemento.

El perno entrega rápidamente la acción de sostenimiento.

VENTAJAS

Si se usa una resina de rápido fragüe en el fondo de la perforación, el perno de anclaje puede ser tensionado.

Alta resistencia a la corrosión en instalaciones permanentes.

La influencia de las condiciones ambientales subterráneas propia de una actividad minera pueden afectar las características químicas de la resina.

DESVENTAJAS

La resina tiene una vida útil limitada dependiendo de las condiciones ambientales que se tengan.

El sistema de perno de anclaje con resina es de alto costo.

Algunos antecedentes de diseño de Pernos con Resina:

Calidad del acero del perno : 58 Kp/mm2 Diámetro del perno : 20 mm Resistencia a la cedencia : 12 ton Resistencia a la ruptura : 18 ton Peso del perno s/(Planch.+ Tuerca) : 2,6 Kg/mt Largo del perno : sin restricciones Diámetro de la perforación : 35-38 mm Tipo de perno : Acero con estrías medias

5. PERNOS REUSABLES DE ANCLAJE MECANICO

Consiste en una lámina colocada sobre el perno y unida a una golilla. Al apretar la tuerca la lámina se deforma y así se produce la adherencia a la roca.

Como es recuperable se utiliza en fortificaciones transitorias, como es por ejemplo minería del carbón.

LAMINASO

SOLDADURAS EN EL PERNO

EXPANSION

GOLLILLA

6. PERNOS CON ANCLAJE DE FRICCION

Estos pernos representan el más reciente desarrollo en las técnicas de sostenimiento de roca. En este tipo de pernos la resistencia a deslizar del perno en la roca, se produce por fuerzas radiales, opuestas a la pared de perforación.

Son pernos fijados a la roca en toda su longitud por el efecto de fricción que se produce entre el perno y la pared de perforación, y no requiere de elementos de anclaje adicionales tal como cemento o resina.

Los pernos de fricción más conocidos son: Split Set y Swellex. En general, son rápidos de instalar, entregan una capacidad de soporte inmediato una vez instalados y operan muy bien en una variedad de condiciones de roca.

PERNO SPLIT-SET

Este estabilizador de rocas consiste en un tubo circular que está ranurado longitudinalmente y ahusado en un extremo para facilitar la penetración en el barreno; además de una planchuela de sujeción que va inserta en el extremo exterior del perno.

La colocación se realiza con una máquina perforadora manual, implementada con un culatín especial, que permite la inserción del Split Set dentro del barreno.

El perno produce la estabilización de la roca, principalmente por la fuerza de compresión que la expansión del tubo ranurado produce contra la pared de la perforación.

En ambientes químicos adversos, ácidos, no es adecuado para tipo de soporte permanente debido a su corrosión

Es más económico que un perno de fierro cementado de similar capacidad de soporte, y muy adecuado para la instalación de la malla.

Instalación muy simple.

VENTAJAS

Entrega inmediata acción de soporte.

Cede y mantiene plena sujeción.

El pleno contacto alrededor de la fortificación provee gran resistencia al desplazamiento de la roca a lo largo de los planos de cizalle y de estratificación.

Fácil aplicación con malla de sostenimiento.

El diámetro de perforación es muy importante para lograr un correcto funcionamiento del sistema.

DESVENTAJAS

A menos de usar aceros galvanizados en la fabricación de los pernos, no se pueden usar por largo tiempo, por problemas de corrosión.

Algunos antecedentes de diseño de Pernos Split Set:

Diámetro del tubo : 39 mm Resistencia a la cedencia : 9 ton Resistencia a la ruptura : 10-12 ton Peso Aproximado : 1,8 Kg/mt Largos comunes : 0,80 – 3,00 mt Diámetro de la perforación : 35-38 mm

PERNO SWELLEX

Este tipo de perno corresponde a un tubo que ha sido previamente deformado, hasta llegar a un diámetro de 28 mm.

Es muy similar al Split Set pero este tubo está cerrado en sus dos extremos, mediante un manguito soldado, teniendo en uno de ellos una válvula por donde se inyecta agua a presión, que expande el tubo previamente plegado, provocando el contacto con la pared de la perforación.

El Swellex también es adecuado para soporte en medios muy deformables o que estén sometidos a vibraciones por efecto de tronaduras

Debido a que no puede ser posteriormente tensado sólo actúa frente al movimiento de la roca, es decir, es un elemento de soporte pasivo, y adecuado para ser usado a corto y mediano plazo.

PLANCHUELA

TUBO

GOLILLA

Simple y rápida instalación.

VENTAJAS

Entrega la acción de sostenimiento inmediatamente después de ser instalado.

Puede ser usado en diferentes condiciones de tipo de roca.

Su costo es muy elevado.

DESVENTAJAS

Diámetro del tubo Deformado : 28 mm Resistencia a la cedencia : 14 ton Resistencia a la ruptura : 14 ton Peso Aproximado : 2 Kg/mt Largos comunes : sin restricciones Diámetro de la perforación : 35-38 mm

Algunos antecedentes de diseño de Pernos SWELLEX:

PERNOS MIXTOS (ACTIVOS)

PERNOS DE ANCLAJE PUNTUAL Y GRAUTEADOS

CABLES PRETENSADOS

PERNOS GRAUTEADOS Y TENSADOS

TIPOS DE PERNOS DE ANCLAJE