Construccion de Tuneles, Piques y Chimeneas

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Publicado por el Departamento de Ingeniería de Minas de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile Derechos

Reservados

baio Registro

Intelectual según Inscripción

de Propiedad

NQ 705.394

del 28 de

Agosto de 7998. 7Q Edición. ISBN: 956-19-0265-6

Impresores: Servicios Gráficos Claus von Plate y Cía. Ltda.

Santiago¡ Agosto de 7998

4

:-

~

PROLOGO

, El Departamento de Ingeniería de Minas de la Universidad de Chile se complace en poner a '¡

disposición de la comunidad minera este libro sobre "Construcción de Túneles, Piques y Chimeneas", escrito por el distinguido profesional y profesor Camilo Salinas Torres. la iniciativa obedece a la necesidad de contar con un texto en lengua hispana que sirva tanto a

{

los estudiantes de ingeniería como a los profesionales que trabajan en proyectos o se desempeñan en terreno en su deseo de perfeccionar conocimientos

y aplicarlos correctamente en un tema tan particu-

lar en este país minero. Además, el Departamento dentro de su plan de modernización de la enseñanza de ingeniería de minas, siente la responsabilidad de una mejor docencia y también de extender parte de su quehacer hacia la industria minera, sobretodo en un período en que se está recibiendo de ella un decidido apoyo para desarrollar sus actividades en un entorno cada día más exigente y competitivo. Camilo Salinas es ingeniero civil de minas egresado hace ya más de 20 años de esta Facultad. Ha tenido la oportunidad de trabajar en diversas empresas mineras como ingeniero de operaciones y también como ingeniero de estudios y proyectos. Durante gran parte de este tiempo ha estado ligado a la docencia en el Departamento de Ingeniería de Minas. Sus actividades le han permitido aunar conocimientos teóricos con experiencia práctica, que ahora tiene la generosidad de entregar a gene~,

raciones mineras que se están formando y a aquellas que desean refrescar sus conocimientos. Vayan nuestros agradecimientos a muchas personas e instituciones que han hecho posible la edición de este libro. En especial debemos mencionar a CODElCO-CHllE, patrocinador de la Cátedra de Tecnología Minera, y a las autoridades de la Facultad de Ciencias Físicasy Matemáticas que con su permanente apoyo han hecho posible la publicación de esta valiosa obra. A todos muchas gracias y esperamos poder materializar otras iniciativas en esta misma dirección.

BRUNO BEHN THEUNE DIRECTOR Departamento de Ingeniería de Minas

Santiago, 7 de Septiembre de 1998.

5

.

Camilo Salinas Torres Ingeniero Civil de Minas, egresado en el año 7976, inició su vida profesional en Sociedad Minera Pudahuel Ltda. C.P.A; donde se desempeñó como Ingeniero de Estudios. Posteriormente cumple funciones como Ingeniero Administrador en Compañía Minera Contractual Navarra y Compañía Minera Regional de Vallenar en la producción de minerales de Cu, Au; y Ag. Permcmece en Compañía Minera Catemu Ltda. entre los años 7983 y 7986 como Ingeniero Administrador de Mina y Planta en la producción de minerales y concentrados de Zinc, Plomo; Plata; Cobre y Oro. Su interés por el tema de las excavaciones mineras y civiles lo lleva a integrarse a Stager Excavaciones Ltda.; como Gerente de Operaciones; participando en el estudio; planificación y ejecución de una importante cantidad de proyectos de construcción de galerías; piques y chimeneas usando métodos mecanizados; a través de todo Chile y en Brasit con fines de exploración y producción de minas. Desde 7994 a 7997 cumple funciones en Ingeniería y Construcciones Mas Errázuriz S.A; como SubGerente de Estudios, participando en el estudios de proyectos de construcciones mineras y civiles en el país y para licitaciones en Brasit Ecuador; Perú;y Argentina. Durante su vida profesional ha visitado diversas faenas mineras y de construcciones subterráneas en Inglaterra; Canadá; E.E.u. u. y Sud-América. Actualmente se desempeña como Académico del Departamento de Ingeniería de Minas de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile; además de Consultor en Minería en el país.

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INDICE

~

f,

Prólogo ,¡

INTRODUCCiÓN

~ 1.-

CONSTRUCCiÓN DETUNELES

1.1.- Definiciones.

19

1.2.-

1.2.2.- Métodosde Construcción.

20 20 21

1.3.-

Operaciones

23

1.4.-

Perforación.

r

Métodosde Construcción. 1.2.1.- Variablesde Diseño.

Unitarias.

1.4.1.- Perforación manual. /

23 23 24 25

1.4.2.- Aceros de perforación manual. 1.4.3.- Perforación mecanizada. 1.4.4.- Equipos de perforación mecanizada. 1.4.5.- Aceros de perforación para equipos mecanizados.

25 26

1.5.-

27

Tronadura.

1.5.1.- Nomenclatura de tiros. 1.5.2.- Tipos de rainuras. 1.5.3.- Diseño de la rainura large hole cut. 1.5.4.- Ubicación y carguío del resto de los tiros. 1.5.5.- El contorno del túnel. 1.5.6.- Consideraciones prácticas para el diseño del diagrama de disparos.

27 28 33 37 38 39

1.6.Sistemasde Carguío y Transporte. 1.6.1.- Introducción.

39

1.6.2.- Equipos de carguío para construcción de túneles. 1.6.3.- Equipos de transporte en la construcción de túneles.

40

7

39 46

2.-

CONSTRUCCiÓNDEPIQUES

2.1.-

Introducción

2.2.-

Procedimientos

2.3.-

Propósito del pique

56

2.4.-

Ubicación e inclinación del pique

57

2.5.2.5.1. 2.5.2.2.5.3.-

Arreglo seccional de un pique

58 58 63 65

2.6.2.6.1.2.6.2.2.6.3.-

55 para el diseño de un pique

Conjunto de vigas de madera en una sección circular Conjunto de vigas de acero en una sección rectangular Conjunto de vigas de acero en una sección circular Arreglo superficial de un pique Introducción Ubicación del huinche principal Peinecillo o Castillete

56

69 69 69 70

2.7.-

Collar del pique

73

2.8.-

Definición de los huinchesy cablesde izaje en la etapa construcción.

2.8.1 .- Movimientodel balde de marina y accesodel personal 2.8.2.- Movimientoy suspensiónde la plataforma de trabajo

75 75 77

2.9.2.9.1.2.9.2.2.9.3.-

:(arguía en piques

84 84 84 89

2.10.-

Drenaje delpique

96

Método de excavación Perforación Tronadura

96 97

2.11.- Fortificacióndelpique 2.11.1. - Impermeabilización

. 2.12.- Algunos piques construidos en Chile

8

98

3.-

CONSTRUCCiÓNDECHIMENEAS

3.1.-

Introducción

101

3.2.-

Chimeneas manuales convencionales

101 101

3.2.1.- Definiciones 3.2.2.- Ciclo de construcción 3.2.3.- Ventajas del método convencional 3.2.4.- Desventajas del método convencional

102 103 103

3.2.5.- Relaciones prácticas entre el largo de perforación, sección de la chimenea y número de tiros

103

3.3.Chimeneasconstruidas con Jaula Trepadora 3.3.1.- Definiciones 3.3.2.- Descripción del equipo 3.3.3.- Etapas de la construcción 3.3.4.- Características de los diferentes modelos de Plataformas Trepadoras. 3.3.5.- Carga admisible en la Plataforma Trepadora 3.3.6.- Ciclo de construcción 3.3.7.- Ventajas del método 3.3.8.- Desventajas del método

104 104 104 107 109

3.4.Método Vertical Cráter Retreat (V.C.R.) 3.4.1.- Teoría de la tronadura tipo cráter

115

3.4.2.3.4.3.3.4.4.3.4.5.3.4.6.3.4.7.-

120 121 121

Aplicaciones del método veR. Perforación para el veR. Tronadura en el VeR. Relaciones entre el burden, diámetro de perforación y el peso de la carga de explosivos. Diagramas de disparos veR. Secuencia de operación en una chimenea VeR.

111 112 114 115

115

121 122 126

3.4.8.- Ventajas y desventajas del método veR.

126

3.5.Método usando equipo Raise Borer 3.5.1.- Definiciones 3.5.2.- Sistemas del método

128 128 128

3.5.3.- Composición del equipo 3.5.4.- Elementos de perforación 3.5.5.- Ventajas y desventajas del método

130

3.6.-

Método usando Jaula Joro

135

3.6.1.- Definiciones 3.6.2.- Antecedentes de operación 3.6.3.- Vigencia del método

135

.

9

130 132

136 136

4.-

FORTIFICACiÓN

4.1.-

Introducción

139

4.2.-

Factoresque afectan la estabilidadde una excavación

139

4.3.-

Monitoreo

4.3.2.- Medicionesde aguas subterráneas

140 140 141

4.4.-

Conceptosde Rigidezy Cedencia

141

4.5.-

Fortificación Activay Pasiva

141

4.6.-

Clasificación de losSistemasde Fortificación

142

4.7.-

Comportamiento de una excavación

143

4.8.-

Tipos de Fortificación

144

4.3.1. - Medicionesde los esfuerzosdel macizo rocoso

4.8.1.- Pernos 4.8.2.-

de anclaje.

Pernosde anclajemecánico

4.8.3.- Pernos con lechada de cemento Pernos

con

resina

4.8.5.-

4.8.4.

Cables

con

lechada

de cemento

4.8.6.-

Pernos

con

anclaje

de fricción

4.8.7.-

Test de

Stillborg

-

epóxica

144 144 149 151

4.8.8. - Hormigón

proyectado

4.8.9. -

Fortificación

151 154 156 157 164

de Fortificación

167

4.8.10.

Mallas -

Marcos

Referencias

10

de

INTRODUCCION

11

.

12

INTRODUCCION Lostúneles son construcciones subterráneas que cumplen el objetivo de ser medios por los cuales se realiza un transporte eficiente, ante condiciones naturales adversas tales como: atravesar una cordillera, un cerro, un río, servir de acceso subterráneo para las diferentes aplicaciones que presenta la minería subterránea, servir de paso de agua para un proyecto de regadío, permitir la operación sin fallas del transporte subterráneo de la población de una ciudad ó, permitir el paso del ferrocarril. En minería subterránea los túneles se presentan en diversas variedades y denominaciones, pero en general podemos afirmar que son los medios de acceso para iniciar un trabajo de exploración, además de ser los medios de acceso a los minerales, su explotación y su posterior remoción a superficie. , Los túneles forman parte en cada momento della vida diaria de las comunidades de los países mas desarrollados y su servicio y rango general de aplicación aumenta con la expansión de las necesidades de las comunidades del mundo.

Desarrollo Histórico del Arte de Construcción de Túneles. Cualquier apreciación en el presente no puede dejar de mencionar los increíbles acontecimientos de los últimos 3.000 años. Túneles de cientos y miles de años de edad aún permanecen en pie en estos días, representando el gran entrenamiento en el Arte de Construcción de Túneles el cual se había desarrollado en esos tiempos. Los túneles jugaron un im¡;>ortantepapel en el desarrollo de la civilización. El valor de los túneles fue apreciado por el hombre primitivo, el cual por el natural deseo de ampliar su refugio subterráneo, o alargar los pasadizos bajo tierra, desarrolló el entrenamiento adecuado para realizar estos trabajos con técnicas de esos tiempos. Las cavernas donde vivía el hombre primitivo, muestra las evidencias del desarrollo de trabajos de excavación y su capacidad de aprovecharlas para mejorar sus condiciones de vida. Cavernas fueron usadas como refugios, por el hombre primitivo, hace unos 40.000 AC. años en Australia Tan pronto las primeras civilizaciones reconocieron la importancia de los túneles, en ganar accesos para llegar a encontrar materiales y minerales que mejorarán sus condicipnes de vida. Por ejemplo en Grimes Graves al este de Anglia en el Reino Unido ,se encontraron testimonios d,~ excavaciones en piedras grises las que al frotarlas entre si producían chispazos de fuego que aprovechaban/en su vida diaria. Estas excavaciones fueron realizadas, probablemente entre el 15.000 y el 10.000 AC. Alrededor de los años 4.000 a 3.000 AC. parece haber sido el tiempo en que las excavaciones en rocas suaves, ocuparon la atención del hombre de esa época por la construcción de diferentes tipos de aperturas subterráneas. Las minas de cobre en Sinaí, operaron desde la Edad de Bronce alrededor del 3.000 AC. También las minas de oro en Egipto empezaron a operar en ese período. Toda esta minería incipiente necesitó de accesos a los depósitos y vetas, horizontales e inclinados. Se han encontrado vestigios de las actividades mineras de esos tiempos. El gran campo de aplicación de I~s túneles fue apreciado por el hombre desde sus comienzos valorando los múltiples propósitos: Por ej. desarrollaron túneles para ser usados como vías de escape en la guerra, o para implementar el asalto a una fortaleza enemiga, o para transportar agua desde un río o para simplemente para efectuar el ingreso y egreso de personas. A medida que pasa el tiempo, el hombre va logrando mayor entrenamiento en la construcción de túneles y sus excavaciones asociadas. Túneles de centenas de metros son construidos con éxito entre los años 500 AC y 1.500 D.C . En este período se aprecia un desarrollo paulatino, lento, pero que sirve para que el hombre vaya

INTRODUCClON - 1 3

resolviendo los problemas propios de la excavación, con los recursos limitados con que contaba. En esta época se enfrentan proyectos de minería y civiles que aumentan poco a poco en complejidad con el paso del tiempo. La construcción de túneles da un gran salto en los siglos 18 y 19, con la Revolución Industrial y debe responder con ímpetus ante esta emergencia especialmente en aplicaciones globales en el tema del transporte. Lostúneles formaron parte integral del desarrollo del transporte por ferrocarril y algunas hazañas de ingeniería fueron realizadas en la construcción de túneles para atravesar montañas de mayor longitud. Uno de los mayores túneles de drenaje de aguas que se había visto en la época es por ejemplo en Hill Cam, Derbyshire, Reino Unido, construido entre los años 1.766 y 1.787 con una longitud de 7 km. y que tuvo una gran importancia en el desarrollo de algunos sectores con minerales. Por otra parte estos canales subterráneos tuvieron un mejor diseño y fueron de gran utilidad para la minería del carbón en el Reino Unido en los siglos 18 y 19,como por ejemplo los canales subterráneos que servían de evacuación de aguas en las minas de carbón de Worsley y formaban parte del sistema del canal Bridgewater con unos 70 Km. de desarrollos aproximadamente. En minería toda la profundización para acceder a los depósitos minerales debía hacerse por medio de túneles¡ y el éxito de los proyectos dependía del desarrollo de las técnicas de excavación, el aumento de las dificultades ge61ógicas del terreno, y el desarrollo y aplicación con éxito de nuevas técnicas de sostenimiento de túneles. En Africadel Sur se construyeron en forma exitoso túneles mineros de 3 a 4 km. de extensión. El transporte a través de túneles bajo ríos, lagos, canales y costas ha probado ser uno de los mayores desafíos que algunos países han enfrentado con éxito en este siglo, con la perspectiva de los grandes beneficios que reportarán para la vida y désarrollo de los países. Una de las obras culmines es la construcción del Túnel del Canal de la Mancha que atraviesa el canal del mismo nombre uniendo las ciudades de Dover en Inglaterra y Calais en la costa norte de Francia, produciendo un lazo de conexión expedito de insospechadas proyecciones para el intercambio comercial entre los países de Europa central y los países del Reino Unido. El Impacto de la Perforación y Tronadura. En los comienzos, el avance de los túneles se realiza excavando con martillo y cincel yen algunos casos fragmentando la roca por la rápida contracción que se producía al rociar con agua fría una superficie de roca previamente calentada a altas temperaturas. Es solamente en los últimos 300 años que la perforación y la tronadura es utilizada en las operaciones de excavación de un túnel. Laadopción de nuevas técnicas más eficientes permitió extender la excavación de túneles a formaciones de roca más duras. La perforación fue inicialmente neta mente manual y más tarde con la introducción de la energía aumentó en gran medida los rendimientos de los avances. La introduc'ción del aire comprimido revolucionó la práctica constructiva de los túneles. Por otra parte la introducción ~e los explosivos, su continua evolución y perfeccionamiento aumento significativamente las expectativas y fue consolidando las prácticas de construcción de túneles en los últimos 300 años. Influencia del Conocimiento

Geológico.

El avance del conocimiento geológico permitió establecer con mayor exactitud las características geomecánicas de la roca que va a ser excavada. Este desarrollo permite anticiparse al progreso del túnel,

14

- CONSTRUCCION

DE TUNELES, PIQUES y CHIMENEAS

definiendo con buena exactitud las condiciones estructurales tales como: tipo de roca, presencia de fallas y fracturas en la línea de excavaciÓn, competencia de la roca, presencia de agua, cambios de calidades de roca y finalmente las necesidad de usar métodos de sostenimiento de las paredes y techo del túnel. Sin duda el conocimiento geomecánico de la roca a ser excavada es una de las actividades de primera importancia que debe ser resuelta antes de iniciar el progreso de la excavaciÓn.

El Desarrollo de la Maquinaria de Construcción de Túneles. Al primitivo método de excavaciÓn con marfillo y cincel se produce un gran desarrollo de la maquinaria para túneles con la incorporaciÓn de formas de energía para su funcionamiento. El aire comprimido, la energía eléctrica, la utilizaciÓn de maquinaría diesel, la energía suministrada por medio de bombas hidráulicas, entregan una amplia gama de posibilidades de maquinaría alternativa para la excavaciÓn. Este desarrollo y su perfeccionamiento se produce principalmente en los últimos 300 años y revoluciona las operaciones de perforaciÓn, tronadura, carguío, remociÓn de la roca, servicios, y sostenimientos, en construcciÓn de túneles. Para secciones mayores y largas longitudes de túneles la incorporaciÓn de maquinaria de excavaciÓn mecánica por corte y cizalle es una gran contribuciÓn para el desarrollo de la práctica de túneles en rocas blandas a semiblandas ya que aumentÓ los rendimientos de avance en forma significativa, eliminÓ el uso de los explosivos, realiza la remociÓn de la roca a través del mismo equipo, como también permite realizar el sostenimiento del túnel con mecanismos.propios del equipo.

CLASIFICACION GENERALDE LOS TUNELES Clasificación A.- Túnelespara tráfico.

Aplicacionesde lostúneles

1.-Túnelespara ferrocarril. 2. - Conexiones para caminos y autopistas. 3.- Túnelespeatonales. 4.- Túnelespara navegación. 5.- Túnelespara transportemetropolitano.

B.- Túnelespara transmisión.

1.- Plantashidroeléctricas. 2.- Túnelespara conducciónde serviciospúblicos. 3.- Túnelespara abastecimientode aguas. 4.- Túnelespara colectoresy alcantarillados. 5.- Túnelespara transportede materialesen industrias.

C.- Túnelesmineros.

1.- De accesoprincipal de una mina. 2.- De exploración. 3.- De explotación:rampas, galerías, estocadas,etc. 4.- Galerías de servicio: evacuaciónde aguas,ventilación.

INTRODUCClON- 1 5

Ejemplos del desarrollo de la Construcción de Túneles en el tiempo.

Período

Descripción

40.000 AC.

longitud

Sección

Bomvu Ridge : minas primitivas de hematita

15.000 a 10.000 AC. Grimes Graves, East Anglia. Minas de fluorita 3.000 a 1.000 AC.

Sobre 10 mt.

Egipto y Malta: galerías asociados a minas, sepulcros y templos.

2.000 AC.

Babilonia: Túnel Eúfrates, construido para atravesar el

1.000 mt.

3,6 x 4,6

río del mismo nombre.

500 AC. a 500 D.C.

Romanos incorporan acceso para el drenaje de aguas.

700 AC.

Jerusalén: Túnel para abastecimiento de agua.

200 mt.

07 x 07

.90 D.C.

Posilopo, túnel para transporte en Roma.

900 mI.

A= 7,5 mt.

500 a 1.500 D.C.

Túneles para propósitos militares.

Siglo 15, años 1.400 1.679

Hungría, Mina Biber, túnel de drenaje.

5 a 6 km.

Fraancia: túnel del canal Laanguedoc. Introducción de la pólvora en la tronadura de rocas.

1.826 al 1.829.

Línea Manchester-Liverpool: Primer túnel para ferrocarril

1.842

Túnel Thaínes en Inglaterra, para desvío del río.

1 .857 al1 .871

Italia-Francia: túnel Mont Cenis para ferrocarril. Se

150 mt.

67x

127 km.

8,0 x 7,5

8,0 x 7A

11,3

introduce perforación hidráulica y se usa por primera vez la dinamita creada por Nobel en 1864. 1.872 al 1.881

Francia: Túneel Saint Gotthard

15,0 km.

1.918 al 1.934

Japón: Túnel Tanna.

7,8 km.

8A x 5,3

1.924 al 1.927

E.E.U.U., Túñel New Cascade

12,4 km.

44,9 x 7,3

1.959 al 1.965

Francia: Túnel Mont Blanc

127km.

9,0 x 12,5

1.964 al 1.983

Japón: Túnel Seikan

53,8 km.

5,0 x 4,2

1.968 al 1.974

Africa del Sur: Túnel Orange Fish

82,5 km.

Ll = 5A m.

1.988

Japón: Túnel Principal Seikan

1.988 al 1.992

Inglaterra-Francia: Túnel del Canal de la Mancha.

50,0 km

(3)

16 - CONSTRUCCION

(23A


km. Bajo el agua)

1.- CONSTRUCCION DE TUNELES.

17

18

1.- CONSTRUCCIONDETUNELES

1.1.- Definiciones. El presente trabajo se centrará en describir las metodologías más usadas en 'a construcción de túneles, orientadas, principalmente al trabajo minero, indicando las variables que intervienen en cada una de las operaciones unitarias. Túneles. Corresponde a una labor horizontal o casi horizontal con inclinación de un 3% o 4% generalmente de 0,5% a 1%, que permite el escurrimiento natural de las aguas provenientes de los trabajos de perforación y de las filtraciones eventuales del terreno, en el cual se realiza la construcción. Normalmente se define como túnel, cuando existe salida a superficie por ambos extremos de la excavación. Entre los túneles carreteros más conocidos en nuestro país podemos mencionar: Túnel lo Prado que participa en 'a Ruta 68 que une Santiago y Valparaíso y el Túnel Melón ubicado en la cuesta del mismo nombre, en la Ruta 5 Carretera Panamericana Norte y que nos permite acceder hacia el norte de nuestro país. Socavón. Corresponde a una labor con las mismas características que los túneles, pero que cuentan con una sola salida a superficie. Estetipo de labores es muy utilizada en minería, por ejemplo, en yacimientos que por su geometría es necesario accesarlos por medio de socavones horizontales ubicados a diferente cota, haciendo posible su explotación y remoción de la roca a superficie. Galería. Corresponde a una labor construida al interior de una mina que se inicia a partir de un socavón principal, y que cumple funciones en la etapa de exploración o explotación de un yacimiento minero. Por ejemplo en las etapas de exploración es frecuente realizar galerías de reconocimiento que nos permitan conocer la longitud del cuerpo mineralizado estudiado o que nos permitan llegar a puntos estratégicos donde se pueda ubicar un equipo de sondajes y proseguir con las exploraciones. En la etapa de explotación de minas las galerías juegan un papel fundamental, actuando como galerías de transporte intermedio o principal, galerías de perforación en Block Caving, galería base en una explotación por el método Shrinkage y en una gran cantidad de alternativas. Estocada. Es una labor horizontal o casi horizontal que se inicia a partir de una galería interior mina, que es normalmente ciega! de corto desarrollo, y que cumple habitualmente funciones de servicio. Rampas. Son labores similares a las galerías, pero con una inclinación positiva o negativa sobre un 5% que permite servir de entrada principal a una mina accesando a los diferentes niveles de trabajo, que están a. distintas cotas. Entre las rampas más importantes actualmente en operación en nuestro país, podemos nombrar: ElSocavón Rampa de Sociedad Minera Punta del Cobre con una sección de 5,5 mt. de ancho y 4,5 mt. de alto y permite acceder a la mina y realizar la extracciÓn de toda la producción de minerales de cobre. Otro ejemplo interesante es la Rampa Inca en la mina ElSalvador, en la Tercera Región del país, que permite acceder en forma expedita a los diferentes sectores de la mina: sectores Inca Oeste, Inca Norte e Inca Central. De todas formas este tipo de labores se ha transformado en una solución muy conveniente para acceder a diferentes cotas, frente a la alternativa de construcción de un pique principalmente por: .. Tiene mayor Rexibilidaden absorber aumentos de producción frente a un pique, en algunas oportunidades, solo el aumento de unidades de perforación, carguío y transporte permite aumentar la extracción de minerales.

TUNElES - 1 9

*

*

Permite una evacuación mas expedita que un pique ante una situación de emergencia. En una rampa, solo el reemplazo de una unidad de transporte permite mantener el nivel de extracción,

en forma mas rápida, que reemplazar el equipo de extracción de un pique. De todas maneras la adopción de un sistema de rampa o pique dependerá del análisis técnico económico del proyecto específico. En todos estos tipos de labores descritos, el método constructivo estará condicionado a las variables de diseño y a la estrategia de construcción que se elija. 1.2.- Métodos de Construcción de Túneles.

Dependiendo construcción.

de las características

de diseño de un túnel se tendrán diferentes y variados

métodos para su

1.2.1.- Variables de Diseño. Corresponden a los diferentes aspectos geométricos, geomecánicos y ambientales que nos determinan la metodología constructiva a adoptar, y que son principalmente:

sección o área útil del

túnel, longitud, inclinación o pendiente, tipo y calidad de la roca a ser excavada, existencia de aguas y altitud. Sección. Nos determinará el tamaño de los equipos de perforación, carguío, transporte, ventilación y además nosdefinirá la estrategia de operación a utilizar. Longitud. Nos determinará la estrategia de carguío y transporte de la roca fragmentada a superficie. Esta variable, combinada con la sección del túnel jugará un papel importantísimo en la elección de los equipos de construcción a utilizar. A menor sección de túnel, mayores serán las restricciones que se tendrán en poder incorporar grandes cantidades de aire fresco para lograr un ambiente adecuado trabajo para el personal, por el mayor diámetro de los ductos de ventilación que se necesitarán. Conjuntamente a esto, a mayores longitudes el manejo de los gases provenientes de la tronadura se hará cada vez más difícil, por la restricción de espacio y la distancia de recorrido para evacuar a superficie, el aire contaminado. En estos casos específicos tendremos que buscar soluciones con equipamiento

y explosivos

que sea menos

contaminantes. La energía neumática y la eléctrica es considerablemente menos contaminante que la generación de energía por medio de motores diésel.

Inclinación o Pendiente. Nos determinará la necesidad de construir estaciones de drenajes e instalar el equipamiento adecuado para evacuar las aguas provenientes de la perforación y las filtraciones naturales propias del terreno. Además definirá la necesidad de construir cunetas para evacuación por gravedad o la instalación de

.

tuberías para la evacuación forzada.

Cé:didad de la Roca. Esta variable es de vital importancia tenerla bien definida en la etapa de diseño del túnel. Nos determinará El conocimiento

la necesidad

de colocar

sostenimientos

de un pérfil geológico-estructural

el tipo de terreno por donde se hará /0 construcción tipos de sostenimientos

20

- CONSTRUCClON

más adecuados.

DE TUNElES, PIQUES y CHIMENEAS

al túnel y que tipo de los m.ismos.

por el eje del túnel nos permitirá visualizar con lo cual podremos

definir

con anticipación

en el desarrollo

del túnel, los

Existenciade Aguas. Conjuntamente con la pendiente del túnel, nos revelará la necesidad de tener estaciones de evacuación de las aguas yola

vez nos determinará realizar operaciones especiales de sostenimientos como

impermeabilizaciones de las paredes y techo del túnel, por ejemplo. Altitud. Esta condición ambiental, nos definirá la necesidad de corregir la potencia de los motores de los equipos elegidos por el menor rendimiento de operación que presentan a medida que trabajan a una cota mayor sobre el nivel del mar. Resumiendo, la combinación de estas variables de diseño de túneles con las características de disposición del proyecto de túneles específico, nos indicarán el método constructivo y la estrategia de operación a elegir.

1.2.2.- Métodos de Construcción. Dependiendo de las variables de diseño y la estrategia de operación, se podrán identificar los métodos de construcción manuales, mecanizados y especiales. En todos los proyectos de túneles participarán siempre una combinación de estos métodos dependiendo de la metodología adoptada. Métodos Manuales: Referido principalmente a las operaciones de perforación y tronadura si son realizadas con el aporte de energía manual para su realización.Por ejemplo: perforación manual con jack-Ieg y carguío manual del explosivo. Métodos Mecanizados: Referidos al uso de equipos en que 'a participación del hombre es solo de operación de un sistema con energía propia de cualquier tipo. Por ejemplo: Perforación con Jumbo Electrohidráulico y Carguío de Anfo mecanizado. Métodos

Especiales:Preferentemente referido a los métodos en que el aporte del hombre es solo de

operación y no se contempla el uso de explosivos para fragmentar la roca. En esta clasificación consideraremos los métodos de corte y cizalle. Por Ejemplo: Uso de Tunnel Boring Machine (lB.M.) en un túnel de gran diámetro y longitud.

A continuación de Túneles:

se presentan

las alternativas

para las diferentes Operaciones

Unitarias

en la Construcción

Alternativas según Operación Unitaria y Tipo de Energía Op.Unitaria

Manual

Perforación

P1

P2

Tronadura

T1

T2

Carguío

C1

C2

C3

Extracción

El

E2

E3

Man/Neumática

ElectroDiesel Hidr.

Utilizando la clasificación realizada anteriormente podemos intentar hacer una aproximación relacionando las operaciones unitarias en la construcción de túneles y las diferentes metodologías usadas para algunos rangos de secciones y longitudes más frecuentes.

TUNELES - 21

LONGITUD

DEL TUNEL

SECCION 200 al. 000 m

Hasta 200 m

1.000 a 10.000 m

Hasta 6,25 m2

PlT1 C3E3

PlT1 C2E2

6,25 a 9 m2

PlT1 C3E3

PlT1 C2E3

P1TlC2E3

9 m2 a 49 m2

P2T2C3E3

P2T2C3E3

P2T2C3E3

Mayor que 49 m2

P2T2C3E3

P2T2C3E3

Sobre 10.000 m

Métodos Especiales

En todo caso esta presentación no tiene carácter absoluto, pudiéndose dar la combinación de uno o más sistemas.

A continuación se entregarialgunos ejemplos de metodologías utilizadas en casos frecuentesde construcción de túneles y galerías mineras y civiles.

a) Galería de 2,0 x 2,0 mt. o 2,5 x 2,5 mt. y longitudde 200 mt. Perforación Tronadura

neumática con perforadora jack-Ieg. manual.

Carguío

manual a carro decauville. pala neumática a carro decauville o con scoop de 1 o 2 yd3

Extracción

.

carros decauville a.superficie scoop de 1 o 2 yd3 a superficie.

b) Galería de 2,0 x 2,0 mt. o 2,5 x 2,5 mt. y longitud de 1.000 mt. Perforación Tronadura Carguío Extracción

manual con perforadora jack leg manual

.

manual o mecanizada con pala neumática a carro decauville. locomotora eléctrica a batería.

c)Galería de 5,0 x 5,0 mts y longitud de 200 mts. Perforación Tronadura

22

- CONSTRUCClON

mecanizada con jumbo electrohidráulico. mecanizada con cargador de anfo tipo jet-anol.


Carguío Extracción

scoop de 5 yd3 a superficie scoop a superficie.

dI Galería de 5,0 x 5,0 mts. y longitud de 1.000 mts. Perforación

mecanizada con iumbo electrohidraúlico.

Carguío Tronadura

scoop de 5 yd3 a estocada de carguío.

Extracción

mecanizada con jet-anol. camión bajo perfil desde estocada de carguío a superficie.

Como podemos apreciar cada proyecto de construcción de túneles tendrá sus características propias y será nuestra misión la elección del método constructivo y la estrategia de operación. 1.3.- Operaciones Unitarias en Construcciónde Túneles. Corresponden a las actividades secuencia les que es necesario analizar y resolver para llevar a cabo un proyecto de construcción de túneles y son: Perforación: Nos definirá el sistema de perforación a utilizar, manual con Jack-Leg o mecanizada con equipo electrohidráulico y todas las características inherentes al tema, como el diseño mismo del diagrama de perforación. Tronadura:Definición del tipo de explosivos a usar conforme al diagrama de perforación utilizado, el tipo de roca que se tenga en el proyecto específico y las cargas de explosivos más adecuadas. Carguío: Definición del sistema de carguío a utilizar, dependiendo de las variables de diseño tales como. Sección, longitud e inclinación del túnel. Frecuentemente se utilizan, equipos como palas neumáticas sobre rieles o cargadoras de mina de bajo perfil, cargando a carros mineros, para secciones de hasta 9 m2y desarrollos sobre 600 mt. de túnel y cargadoras de mina de mayor tamaño cargando a unidades de transporte independientes, como camiones. Extracción o remoción de la roca: Definición del sistema de extracción de la roca proveniente de las tronaduras. Dependerá de las variables de diseño tales como: sección, longitud e inclinación del túnel. Servicios: En este punto se agrupan todas aquellas actividades adicionales que es necesario diseñar, resolver e implementar, tales como: generación y transmisión de aire comprimido, agua y energía eléctrica e instalaciones de los sistemas de drenaje y ventilación. 1.4.- Perforación. 1.4.1.- PerforaciónManual. Corresponde al tipo de perforación realizada con máquinas livianas de accionamiento neumático, de 30 a 40 kg. Su funcionamiento es en base a la.energía proporcionada por el aire comprimido cuya eficiencia es de un 20 % aproximadamente. Su uso es principalmente para secciones de túnel de hasta 9 m2 . Dependiendo de la dureza de la roca y sus condiciones estructuralestendremos los siguientes rangos de velocidad de perforación neta: Rocas duras Rocas medias

0,10 a 0,15 mt./min. 0,15 a 0,25 mt./min.

Rocas blandas

0,25 a 0,35 mt./min.

TUNELES - 23

Existe una gran variedad de máquinas perforadoras cuyos valores de inversión van desde US$ 1.500 a US$ 4.500 dependiendo de la marca, modelo y procedencia. Entre los modelos más usados en la construcción de túneles de sección menor tenemos:

SECO

Modelo S-250

MaqChin Holman

Modelo YT-27

Atlas Copco

Modelo BBC 17 W

Modelo S-303

En todo caso para aplicaciones generales, en el estudio de un proyecto de túneles de sección menor podemos considerar para las máquinas perforadoras manuales una vida útil entre 9.000 y 12.000 mt. de perforación, exceptuando las máquinas de procedencia china, que están diseñadas para una vida útil de 4.000 a 6.000 mt. de perforación, aproximadamente.

J.4.2~-Aceros de PerforaciónManual. Corresponden a las barrenas integrales confeccionadas de aceros especiales de perfil tiexagonal, tratados térmicamente y que tienen una inserción de carburo de tungsteno en uno de sus extremos que actúa como elemento cortante de la roca. El tratamiento térmico aplicado a estos aceros permite combinar armónicamente características tales como: rigidez, resistencia a la fatiga, tenacidad y dureza. Las barrenas integrales más usadas se muestran en la tabla siguiente:

TIPOSDEBARRENAS INTEGRALES

SERIE 12

0,80 ..

1,60

2,40

3,20

4,00

Diámetro (mms)

40

39

38

37

36

SERIE17

0,60

1,20

1,80

2,40

Diámetro (mms)

41

40

39

38

La vida útil de una barrena integral va a depender de la dureza de la roca, su abrasividad, el estado mecánico de la maquina perforadora, el correcto afilado del elemento cortante y la destreza del perforista, para evitar "trancaduras" en la operación.

.

Conforme a lo anterior, podemos indicar que una barrena tendrá una vida útil, frecuente, entre 100 Y 300 mt. de perforación y deberá ser afilada cada 40 mt. de perforación. De todas maneras, podrán existir situaciones especialesque se salen de los rangos entregados: Por Ej. EnMina Sauce, Cabildo, se hizo un seguimiento muy controlado de una barrena integrallográndose

una vida útil de ese elemento de alrededor de 800 mts. Por

otra parte perforando las galerías de la Central Hidroeléctrica Pehuenche en una roca tipo granodiorita fresca sin ninguna alteración, se lograban vidas útiles de las barrenas de solo 75 mt.

24 - CONSTRUCClONDETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

La vida útil de las barrenas dependerá de las condiciones indicadas anteriormente, acompañada de la calidad misma del elemento de perforación. 1.4.3.- Perforación Mecanizada.Hablaremos

de Perforación

Mecanizada

cuando se realiza

usando máquinas perforadoras

de

accionamiento diesel o electrohidráulico, con lo que se puede alcanzar niveles de aprovechamiento de la energía muy superiores al de la perforación accionada por medio de aire comprimido. La eficiencia en el aprovechamiento de la energía alcanza a alrededor de un 60%. En el esquema a continuación se resume el mecanismo de funcionamiento básico de la perforación mecanizada.

ESQUEMADEFUNCIONAMIENTO

I

Motor Eléctrico

~

Bombas Hidráulicas

.

Accionamiento Perforadora

La velocidad de perforación que se puede alcanzar con este sistema va desde 0,80 mt/min a 2,00 mt/min dependiendo de las características estructurales de la roca a perforar. En general podemos indicar que la perforación diesel o electrohidráulica es ampliamente usada en la construcción de túneles siendo su utilización más frecuente para secciones iguales o mayores a 9 m2y hasta 49 m2. Para secciones mayores de construcción, se usarán normalmente sistemas que combinan la perforación diesel o electrohidráulica de túneles con perforación de banqueo neumática o hidráulica.

1.4.4.-Equiposde PerforaciónMecanizada. Corresponden a los llamados Jumbos de Perforación Electrohidráulicos y consisten principalmente en: Chassis o carrier: Estructura perfilada metálica donde se monta todo el sistema de funcionamiento y traslación del equipo. Brazos de Perforación: Elementos metálicos donde van montadas las perforadoras y que accionados por pistones hidráulicos permiten el posicionamiento y direccionamiento de las perforadoras para realizar el diagrama de disparo. Además;permite el avance de la perforadora a medida que realiza la perforación. Enel mercado encontraremosmodelosde jumbosde 1,2, 3 o 4 brazos,y nuestratarea serárealizar una adecuada eleccióndel equipo a utilizar en la construcciónde un túnelque dependerá de la seccióndel túnely la autonomía seccional

del equipo al perforar un diagrama de disparos, completo, sin cambios de posición del equipo. Sistema de Potencia:Consiste principalmente en los motores eléctricos que permiten el funcionamiento de las bombas hidráulicas que accionan las perforadoras. Dependiendo el tipo y modelo del equipo. Normalmente la potencia de los "motores eléctricos varía de 30 a 60 KW y la presión del sistema del mecanismo de impacto varía de 150 a 250 bar, dependiendo del tipo, marca y modelo del equipo considerado. Perforadoras Hidráulicas:Existendiversos modelos según el fabricante se trate. Lasmáquinas perforadoras rñás usadas son:

cap 1238de Atlas

Copco, Hydrastar-200 o 300 de Secoma y las Serie 500 de Tamrock.

Algunos parámetrosde funcionamiento: Máxima Potenciade impacto: 15 KW Indicede impacto

40 - 60 TUNELES- 25 ,

Consumo de agua Velocidad de rotación

1,100 1,50 litros/seg.. por equipo 250 a 350 RPM

Peso de la perforadora Nivel de ruido

140 A 180 kg. 100 a 120 dB

1.4.5.- Aceros de Perforación para EquiposMecanizados. Son confeccionados en aceros especiales y su vida útil dependerá de la dureza de roca, su abrasividad, habilidad del operador del jumbo, estado mecánico de la perforadora hidráulica y las condiciones estructurales de la roca a perforar. Podemos indicar a continuación algunos rangos de vida útil de los aceros, siendo pertinente estimar cada caso en particular por las condiciones cambiantes para diferentes tipos de terreno a perforar. Vida Util ( mts.)

Bit Culatín Barras

100 a 400 a 400 a 400 a 150 a 300 a

Coplas CoronaEscareadora Adaptador Piloto

350 1.000 1.000 1.000 300 500

Losaceros de deben resistir altas velocidades de perforación por lo que tienen que cumplir las siguientes ca racterí sti cas:

Rigidez: Para

reducir al mínimo las pérdidas

de energía,

y mejorar

el alineamiento

de los tiros.

Resistenciaa la Fatiga: Para soportar los esfuerzos a la tracción y compresión. . Tenacidad: Tenacidad en el acero para evitar que se rompa cuando está sometido a altos esfuerzos de tracción yen el inserto de carburo cementado para resistir esfuerzos a la tracción y compresión. Dureza: Resistencia al desgaste en el acero para asegurar una larga duración en las barras y en el carburo cementado para perforar ~n roca dura con elevada fuerza de impacto, alrededor de 15 10N. En el gránco que se muestra podemos apreciar que estascaracterísticasno son del todo compatibles:a mayor resistenciaal desgaste,menor es la tenacidad del acero de perforación, y viceversa.Entodo caso cada fabricante deberá encontrar la mejor combinación y será nuestra misión, la adecuada elección de los aceros de perforación.

Resistencia

al

Desgaste Carburo

Clase 40

Carburo Clase 42

Carburo

Clase 11

Tenacidad

26

- CONSTRUCClONDETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

.

En general los siguientes son las rangos del diámetro de perforación en la construcción de túneles, para diferentes rangos de secciones..

Integrales

Aceros Mecanizados

Aceros Mecanizados

0 : 27 a 40 mm

0 : 35 a 45 mm

0 : 38 a 51 mm

<10m2

lOa 30 m2

> 30 m2

Sistema Manual

Sistema Mecanizado

Sistema Mecanizado

Barrenas

o 1.5.- Tronadura.En el último tiempo el desarrollo de las técnicas en la construcción de túneles ha sido inmenso y entre esos la incorporación de la energía electrohidráulica, el desarrollo de los explosivos y su carguío mecanizado han acortado los ciclos de construcción de túneles lo que ha permitido enfrentar proyectos de construcción en plazos menores que antaño. Como vimos en el capítulo anterior tendremos las siguientes opciones de confeccionar un diagrama de disparos: perforación manual usando máquinas livianas tipo Jack-Leg y perforación mecanizada, utilizando jumbos electrohidráuicos.. Estudiaremos para cada caso los diferentes diagramas de perforación y cargas explosivas. 1.5.1.- Nomenclatura de Tiros.La principal diferencia entre una tronadura realizada para el avance de un túnel y una tronadura realizada a cielo abierto, és que en la tronadura en un túnel se tendrá siempre una cara libre, mientras que en la tronadura a cielo abierto siempre se tendrán dos o más caras libres. En la excavación de túneles la roca estará "más apretada", más restringida de ser quebrada a no ser que formemos la segunda cara libre y así toda la tronadura se asemejará a una tronadura a cielo abierto con dos caras libres. Después que este primer corte esté realizado, los restantes tiros del diagrama de disparo actuarán contra dos caras libres, pero con las siguientes dif~rencias a una tronadura a cielo abierto: * Mayor

carga específica de explosivos

* Mayor desviación de los tiros * Mejor fragmentación , La sobrecarga de explosivos no tiene el mismo efecto desastroso que en una tronadura a cielo abierto. Así, para la construcción de túneles, es vital diseñar el diagrama de perforación del primer corte o segunda cara libre de excavación del túnel. Estegrupo de tiros se denomina Rainura. TUNElES -27

.

El restode lostirostendrán el nombre conformea suubicación en el diagrama de disparos, así sepodrán dentificar: Tiros de techo o coronas

Tiros de descarga Tiros de contorno o cajas Tiros de piso o zapateras Tiros de corte inicial o rainuras.

Tiros de techo 8

.

8

8 8

8

8

8

8

8

8

.

.:

- - h - U - - - u - h U u.

8

... i ...

8

-

.:

Tiros de descarga

8

8

8

8

8

8

Tiros laterales +---

~

:. .0. .~

:

8

Rainura

.~: u_.. Uh_---.

Tiros de piso

1.5.2.- Tipos de Rainuras.Definiremos como Rainura, la forma de crear un espacio central, o no central, en la tronadura de un túnel, que permita que el resto de los tiros del disparo actúen contra dos caras libres. Analizaremos los tipos de rainuras más usados en la construcción de túneles.

Rainuras en diferentes posiciones

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28

- CONSTRUCClON

.


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u

u

h"

Rainuras tipo Abanico. En este caso, se perforan los tiros de la rainura a partir de una misma orientación, pretendiendo la salida de los mismos a partir de la creación de una primera cara libre, con el primer tiro en el extremo de la galería. Esta rainura tiene la limitación en que se restringe el espacio para la acción del equipo de perforación y el operador, a medida que nos acercamos a la ejecución de los tiros centrales. Este tipo de rainura no es utilizada frecuentemente en construcción de túneles, por su dificultad de espacio para ubicar el equipo de perforación y por la baja efectividad del disparo expresada en el avance de la galería logrado versus el volúmen de perforación realizado. Se usa frecuentemente para la realización de tronaduras de desquinches, usando sistemas de perforación manual o mecanizado.Rainura tipo Abanico -, -, - ,-,

- - - - - - -, - - -, - - - - - - - - -, - - -, - - - - - - - - -, - - - - - - - - - -- -- - - - - - - - - - - -

o O O

20 10 O 2

40 30

60 80 sO 70

40

60 80

-

- - - -.

Frente de la galería

Vista de planta -'- -- -,

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-

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Rainuras Piramidales Corresponden a las rainuras en la cual se perforan 4 tiros que concurren a un mismo punto central y que mediante la tronadura se logra un hoyo central o segunda cara libre que facilita la salida del resto de los tiros en un disparo de avance de galerías, Este tipo de rainuras es muy eficiente pero cuenta con la dificultad de mecanizar por la posición de los tiros. Además su eficiencia es restrictiva a lograr una buena geometría posicional al perforar los tiros, Cualquiera desviación importante de los tiros puede provocar un resultado no esperado de la tronadura. Rainura Piramidal

~ // \"

TUNELES - 29

Rainuras en cuña o en V. Esuno de lostiposde rainuras mas utilizadosen la construcciónde lúnelesusando elsistemade perforaciónmanual. Para este tipo de rainuras se necesitará un ancho mínimo de la galería para acomodar el equipo de perforación y el operador. Por otra parte podemos indicar que el avance por disparo aumentará con el ancho de la galería y tener avances cercanos al 75 % del ancho de la galería será aceptable. Elángulo de corte no deberá ser menor que 602. A menor ángulo de corte, mayor es la concentración de la carga explosiva de los tiros. El diagrama normal de corte en estas rainuras es de 2 Vs, pero, en diagramas de mayor profundidad, pueden ser triples o cuádruples Ys. Un esquema común de rainuras en Y es el que se presenta a continuación. Rainuras en cuña o en V ~

~

o

O

0-'-"

O O O

O O O O

O O O

~

~

rt

Frente de la galería

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L

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Vista de planta

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Rainuras para Perforación Mecanizada. Una de las rainuras más usadas en estos tiempos son las llamadas de corte circular o rainura con tiro de gran diámetro central, que son realizadas por modernos equipos de perforación electrohidráulica, los que han sido diseñados para perforar en forma horizontal y perpendicularmente a la frente de la galería. Entre estos tipos de rainuras distinguiremos la Rainura Burn Cut y la Rainura Large Hole Cut, 30

- CONSTRUCClON


Rainura Burn Cut Corresponde a la rainura en la cual todos los tiros son perforados en forma paralela normales a la cara de la galería y del mismo diámetro. Un tiro en el medio es cargado con gran cantidad de explosivos y los 4 tiros alrededor son dejados vacíos, los cuales actuarán como una cara libre para la salida del disparo. Otra alternativa será dejar el tiro central vacío y dejar los 4 tiros alrededor cargados. El principio de funcionamiento de este tipo de rainura es básico pero se ha demostrado que generalmente el avance o "pull" del disparo es significativamente menor que usando la rainura Large Hole Cut.

Rainura Burn Cut.

.

. . O O ...

Tiros vacíos

TirosCargad.

O

.

.

.

.

O

. TUNELES- 31

Rainura Large Hole Cut Son las más utilizadas en la construcción de túneles y el esquema de funcionamiento es similar a la Rainura Burn Cut con la salvedad que el tiro central se elegirá siempre vacío y de mayor diámetro que los restantes tiros del diagrama.

Rainura Large Hole Cut

. . O .

I

--

Tirosvacíos

----

Tiroscargados I

I

--------

----------

.

I l

I

.

O .

- O .

La rainura podrá ubicarse en cualquier lugar de la cara o frente del túnel, pero su ubicación influirá en la proyección de la roca quebrada, el consumo específico de explosivos y en el número de tiros del diagrama de disparo. Por añadidura influirá en el costo por perforación y tronadura. Su ubicación frecuente es inmediatamente sobre la línea de los tiros de piso pudiendo ubicarse también en el sector central del frente de la galería. Como expresamos anteriormente, es una de las rainuras más utilizadas en la perforación y tronadura de túneles con equipos mecanizados, y esta rainura puede estar compuesta por uno o más tiros vacíos centrales, los cuales estarán rodeados por tiros cargados de menor diámetro, y con un burden referido a o los tiros vacíos. Los tiros cargados serán ubicados en cuadrados alrededor de la apertura que se vaya provocando. El número de cuadrados en el corte estará limitado a que el burden del último cuadrado, no debe exceder el burden de los tiros de descarga para una concentración de carga dada.

32

- CONSTRUCClON


Rainura Large Hole Cut con 2 tiros vacíos

Tiros vacíos

/

/

/

/

~

/

/

/

//

//

~ /

I

'\

,,1 "1

"

Tiros cargados

"

./(

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",,8-

--

"

"

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1" \

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I I

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I

I I

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I I I

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//

1.S.J.-Diseño de la Rainura large Hole Cut

Para diseñar una rainura para firos paralelos es necesario considerar los siguientes parámetros para llegar a un arreglo correcto y obtener un posterior resultado óptimo de la tronadura. Diámetro del tiro vacío Burden Concentraciónde carga

TUNELES- 33

Así combinando en forma correcta los conceptos anteriores se podrá llegar un diseño adecuado que nos permita obtener el máximo avance en la tronadura, expresado en mt. de avance por round de disparo, ó, m3 excavados por ciclo de disparo con un consumo específico de explosivos adecuado a las condiciones de la roca a fragmentar. Si consideramos como a la distancia entre el tiro vacío y los otros tiros, tendremos diferentes situaciones al relacionarlo con el diámetro del tiro vacío, como podemos visualizarlo en el siguiente gráfico:

Distancia entre tiros y diámetro del tiro vacío

300 a (mm.)

({:gTIa

250 Deformación

plástica

200

Tronadura limpia

150

100

50 Los tiros se juntan

o

50

100

150

200

0 (mm.)

Así, siendo

a : Distancia entre el tiro vacío y el tiro cargado en mm. 0: Diámetro del tiro vacío en mms. d : Diámetro del tiro cargado en mms.

34

- CONSTRIJCCION


Para a > 2/1 0

Sólo se producirá la deformación plástica de la roca, sin resultados de una fragmentación completa, afectando el avance del disparo.

Para2,1 0 > a > 1/5 0 Se producirá una rotura incompleta, lo que afectará el resultado final de la tronadura.

Para 1/50> a > (d + 0) /2 Se producirá una rotura completa de la roca, con la salvedad que en límite cuando a tienda a (d+0) /2, los tiros se juntarán provocando una tronadura deficiente, con malos resultados en el rendimiento final. Así estableceremos, para los efectos de diseño, que la óptima posición de los tiros será cuando: a = 1,50 (mms.) En este caso nos ubicamos en la máxima distancia posible, para lograr una tronadura limpia, completa, con un buen resultado del avance del disparo. Otro de los parámetros a 'considerar en este tipo de rainuras será la relación entre el diámetro del tiro vacío y la profundidad del barreno. .En el gráfico que se muestra a continuación se aprecia la influencia porcentual del avance, en relación a la profundidad de los tiros, para diferentes diámetros de tiros vacíos.

Avance del disparo para diferentes diámetros del tiro vacío 100

,

"~._~-"_.~

..

g ea

90

~ .. 'ti

.. '¡;' 'E .. o!:! a.

80

70 2,5

3

3,5

4 Largo de Perforación

4,5

5

5,5

6

(rnts)

TUNELES- 35

En algunos casos, se podrá considerar uno más tiros vacíos como cara libre para la apertura inicial, por lo que tendremos que definir el Diámetro Ficticio del tiro vacío y que podremos determinar como sigue:

D=dR Donde D : Diámetro ficticio en mm. d : Diámetro de un tiro vacío n : Número de tiros vacíos Para calcular el Burden del primer cuadrado, usaremos el diámetro del tiro vacío de mayor diámetro 0 y en el caso de varios tiros vacíos, usaremos D. Carguío de tiros del primer cuadrado. Lostiros más cercanos al tiro vacío deben ser cargados completamente. Una concentración de carga baja puede no provocar la fragmentación de la roca, en cambio, mientras más alta es la concentración de carga, mayor es la posibilidad de provocar la proyección de la roca contra la pared opuesta del tirovacío, recompactando la roca, sin producir la salida a través del tiro vacío. En el gráfico a continuación, se muestra la carga de concentración mínima (kg./ mt.), y la máxima distancia a para diferentes diámetros de tiros vacíos.

Concentración de carga y máxima distancia entre tiros vacíos. Concento de carga (kg.lmt.) 2,00

~0

1,80 203

1,60

a=20

Diámetro tiro vacío (mm.)

1,40 1,20

1,00 "",

0,80

....

a = 1,5 0

0,60 0,40 ,

-------- a=0

0,20

o 0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

Máxima distancia a (mt.) De:Applied ExplosivesTechnologyfor Constructionand Mining,by Stig Olofsson

36 - CONSTRUCCION DE TUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

Lostiros de la rainuras normalmente son levemente sobrecargados para compensar errores en el alineamiento de los tiros. Por otra parte un aumento de la relación normal a = 1,5 0 causa consecuentemente un aumento en la concentración de carga. Carguío de los tiros remanentes. Elmétodo es similar al del primer cuadrado, con la diferencia que la rotura seguirá un arreglo rectangular,

a diferenciadel arreglo circulardel primercuadrado.

.

En el gráfico que sigue se muestra la concentración de carga mínima requerida (kg./mt.) y el máximo burden (mt.J, para diferentes anchos de apertura.

Concentración de carga mínima de explosivos y el máximo burden

p '"

"""""

Concento de 1,80 carga (kg./mt.) 1,60

f k-B

1,40

W

1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20

o 0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Máximo burden (mt.) De : App/ied Exp/osives Techn%gy for Construction and Mining, by Stig %fsson

Es importante señalar que el número de cuadrados de la rainura estará limitado al hecho que el burden del último cuadrado no puede exceder el burden de los tiros de descarga para una concentración de carga dada.

1.5.4.- Ubicación y carguío del resto de los tiros del diagrama. Cuando los tiros de los rainuras ya han sido diseñados será posible ubicar y calcular el resto del diagrama de disparos. Para calcular el burden y las cargas para las diferentes partes del diagrama de disparos, podemos usar el siguiente gráfico que relaciona la concentración de la carga de columna (lb) yel burden (B) para explosivos granulados y para explosivos encartuchados equivalentes a Amon Gelatina 60 % y rangos de perforación manual y mecanizado.

TUNELES- 37

l~

Concentración de Carga para diferentes Burden 1,20

A.G. %60

I

I

1,15

41mm 1,10

38mm Ui

1,05

GI 1::1

1,00

1e al

I

Anfo

I

45mm

0,95

41mm 0,90

0,85 0,80 0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

Concentración

1,80

2,00

2,20

2,40

2,60

de Carga (Kgs/rnt)

Cua,ndo el burden (B), la pr~hmdidad (H), y la concentración de carga (lb), son conocidas, la tabla siguiente nos

dará una buena aproximación inicial de la geometría del diagrama de disparos y la carga de explosivos. Nomenclatura de Tiros Piso Contornoo Cajas Coronas Descarga Superior Descarga Inferior

Altura Burden (mt.) l,Ox B 0,9 x B 0,9 x B l,Ox B 1,0 x B

Espaciamiento (mt.) 1,1 x B

Carga de Fondo (mt.) 1/3 x H

1,1 x B 1,1 x B 1,1 x B 1,2 x B

1/6xH 1/6x H 1/3 x H 1/3 x H

Concentraciónde Carqa Fondo Columna (kq./mt.) lb lb lb lb lb

(kq./mt.) l,Ox lb 0,4 x lb O,3x lb O,5x lb O,5x lb

Taco (mt.) O,2x O,5x O,5x O,5x

lb lb lb lb

O,5x lb

De todas maneras es importante poner énfasis en que el diagrama de disparos debe ser revisado conti- . nuamente y corregido, si es necesario, conforme a las variaciónes que experimenten las condiciones estructurales de la roca a excavar y los resultados que se vayan obteniendo. La tabla de cálculo anterior puede considerarse como de diseño básico. 1.5.5.- Elcontorno del túnel. En el diagrama de disparos el contorno del túnel estará compuestos por los siguientes tiros: Tiros de piso o zapateras Tiros laterales o de cajas Tiros de cabecera, de techo o coronas.


El burden y el espaciamiento para los tiros de piso será el mismo que el de los tiros de descarga, sin embargo, serán cargados a razón del doble de la carga que los tiros de descarga, principalmente para compensar el peso de la masa rocosa donde están ubicados los otros tiros y que yacen sobre ellos, al momento de la detonación. Por otra parte, para los restantes tiros de contorno existirán dos variantes para el carguío de explosivos: a) Tronadura Normal: Usar el mismo tipo de explosivos que el resto de los tiros, pero con una concentración menor, 0,3 x lb y 0,4 x lb. b) Tronadura Amortiguada: Usar explosivos diferentes al de los otros tiros y con velocidad de detonación menor, del orden de unos 2.400 mt./ seg. En este caso la calidad de la excavación dependerá de la relación entre el espacia miento (S) y el burden (B) .

S/B :::;0,8 El burden deberá ser mayor que el espaciamiento. 1.5.6.- Consideraciones prácticas para el diseño del diagrama de disparos Una de las cosas que debemos tener muy en cuenta, cuando enfrentemos un proyecto de construcción de túneles, y en general cualquier tipo de excavación, es que el diseño del diagrama de disparos debe ser revisado, corregido y reformulado, si fuese,necesario, a medida que se desarrolla el túnel. Lasvariaciones del comportamiento geomecánico de macizo rocoso, sus cambios estructurales, y 1<;1 condición específica de la zona a excavar, nos producirán variaciones en el comportamiento de un mismo tipo de explosivo, y por añadidura, en el resultado de la tronadura. Por otra parte la presencia de aguas de provenientes de la napa subterránea, en algún tramo de la excavación, nos determinará la necesidad de utilizar explosivos resistentes a esta condición, tales como amongelatinas y aquageles. Elcálculo inicial del diagrama de disparos, debe ser considerado como básico, susceptible de ser corregido y mejorado, variando el nQde tiros, largos de perforación y cargas de explosivos. 1.6.- Sistemas de Carguío y Transporte en la Construcción de Túneles. 1.6.1.- Introducción. Una vez que el frente del túnel ha sido perforado y tronado, será necesario retirar el material quebrado y transportarlo a superficie para lo cual tendremos que elegir la mejor estrategia, conforme a las restricciones de sección, longitud e inclinación del túnel, que el proyecto nos presente: Lacombinación de estos parámetros nos determinará el tipo y tamaño de los equipos que más se ajustará a las condiciones existentes igual así poélemos establecer, algunas consideraciones que nos irán definiendo la mejor estrategia de carguío y transporte, para nuestro proyecto de construcción de túneles. A mayor sección del t~nel: Mejor ventilación por la ventaja de poder ingresar mayor cantidad de aire fresco fresco al túnel al no tener restricciones de espacio, al aumentar el diámetro del ducto de ventilación y poder incorporar ventiladores de mayor capacidad.

TUNELES - 39

Menor restricción a usar equipos diesel sobre neumáticos, de carguío y transporte, haciendo estas operaciones más expeditas e independientes entre sí. A mayores secciones y grande longitudes, se podrán utilizar equipos cargadores de mina de bajo perfil para una limpieza rápida de la frente y el carguío a camiones dumper desde una estación de carga, trasladando el material a superficie. A mayores secciones y cortas longitudes, normalmente se usarán cargadores de mina de bajo perfil, descargando directamente en superficie o actuando en tan-dem con otra unidad, con una estación de carga intermedia. A menor

sección

del túnel.

Menor posibilidad de ingresar mayor cantidad de aire fresco principalmente por retriccciones de espacio para ubicar los ductos de ventilación. Esta condición de espacio no limitará la potencia de los ventiladores. Mayor restricción de usar equipos diesel sobre neumáticos para la operaciones de carguío y transporte. .

A menores

secciones y grandes longitudes

se tenderá a usar equipos de carguío diesel de baja capacidad

o pala neumáticas sobre rieles, cargando a un convoy de carros traccionados por una locomotora a batería eléctrica. A menores secciones de galerías y reducidas longitudes de acarreo, se usarán equipos de carguío diesel de baja capacidad, descargando directamente en superficie. Como podemos apreciar la sección y longitud del túnel a desarrollar será determinante en el sistema de carguío y transporte a elegir en .cualquier proyecto de construcción de túneles.

1.6.2.- Equiposde Carguío para Construcciónde Túneles. 1.6.2.1.- Palas neumáticas sobre rieles.

Equipos montados sobre llantas metálicas y cuyas partes principales son: Bastidor desplazable Cuerpo giratorio y mecánico de oscilación Cucharón para recoger la marina. Durante el trabajo, mediante el avance de la pala, la cuchara se introduce en el material para recogerlo del piso; posteriormente la máquina retrocede y al mismo tiempo la cuchara se levanta y vuelca hacia atrás descargando en el carro el cual está enganchada a la pala. Uno de los aspectos importante a resolver, con el empleo de este tipo de equipos, es el intercambio del carro lleno por el vacío detrás de la pála. Existen varios sistemas para resolverlo, pero en la práctica los más utilizados en la construcción de túneles son:

40

- CONSTRUCCION DE TUNELES, PIQUES y CHIMENEAS

a) Desquinchar la pared del túnel con el propósito de instalar una nueva vía y acomodar en ese sector los carros vacíos, con lo cual se posibilita la salida del carro lleno hacia atrás y el posterior ingreso del carro vacío a su cargado.

Tsométrico

iPerfil transversal

Planta

Desquinche de Galerfa

'.

b) Construir una estocada, como se indica en la figura, que cumple con el mismo objetivo anterior.

~';">

Galería en desarrollo

:~,:~ :~".,..:~

.

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t ~~

Estocada

espera

para de

carros vacíos

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"

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.

"

~

Planta

~!

'............. "'---"'"

TUNELES' 41

Tiposde palas neumáticas Los equipos más utilizados

Modelo

en la construcción

Peso (kg.)

de túneles se mencionan

Altura mínima de galería (mt)

Capacidad del

Consumode aire

balde (m3)

comprimido (m3/min)

Eimco 12 B

1.905

1,80 - 2,10

0,12 - 0,17

1,90 - 2,80

Eimco 12

3.360

2,20 - 2,40

0,21 - 0,28

2,80 - 4,20

Eimco24

3.630

2,30 - 2,70

0,28 - 0,34

Eimco630

4.700

2,00 - 3,30

0,27 - 0,39

Factores que influyen en el rendimiento: La capacidad de carga, dependerá principalmente de: Pérdidas de tiempo en la instalación y retiro de los carros Espera de carros Pérdida de tiempo por limpieza final al término de la fase de carguío. Calculo del rendimiento de una pala neumática

Si definimos: t, kd

: tiempo de llenado de una palada (min) : coeficientede dificultad de llenado

kd

= 0,4 sacagruesay heterogéneo = 0,9 sacafina y homogénea

kd

El tiempo real de carguío (T) será: t = t, / kd Siendo: V : volumen útil del carro c : volumen de la cuchara de la pala k, : coeficiente de relleno de la c~chara (k, = 0,4 - 0,8) El tiempo para llenar un carro será:

t, = V / c x k, Además si t2 : tiempo para cambiar un carro

42

en el siguiente cuadro:

- CONSTRUCCION

DE TUNELES, PIQUESy CHIMENEAS

t3 : duración del cambio del tren n : nQde carros del tren

El tiempo del ciclo (tc) para un carro será: tc (1 carro) = tl + t2 + t3/n Así el coeficiente de utilización del tiempo de la pala será: ku = (tl x 100) / (tl + t2 + t3/n) (%) El número de ciclos por hora (N) estará dado por: N = 60/ tc

(ciclos/hora)

yel rendimiento será R = N x c x k 1 x ku ( m3/hora) Como se puede apreciar el rendimiento de una pala neumática depende de muchos factores independientes de la capacidad misma del equipo, por lo que para efectos prácticos, es recomendable utilizar un coeficiente de rendimiento real de un 75% al calculado teóricamente. El uso de las palas neumáticas, se ha restringido a la construcción de túneles de secciones menores, teniendo como límite superior secciones de 9 m2 aproximadamente, combinado además con grandes longitudes de transporte de la roca quebrada. En ese caso aparecen como la mejor solución considerando la ne~cesidadde mantener ambientes con concentración de contaminantes admisibles. El mayor inconveniente de las palas sobre rieles es precisamente la presencia de rieles y todos los movimientos de los carros. Este sistema es muy rígido y solo tiene aplicabilidad

en la construcción de túneles de

secciones menores, de gran longitud donde la incorporación de maquinaria diesel autopropulsada no es posible por la dificultad de incorporar grande cantidades de aire fresco y mantener niveles de contaminación admisibles. 1.6.2.2.-

Cargadores de mina de bajo perfil.-

Son los llamados scoop o LHD, (Loading, Hauling and Dumping) que son en forma simple un cargador frontal de bajo perfil, equipado con un balde de dimensiones importantes, que carga, traslada

y descarga la

roca quebrada en tramos cortos de 200 a 300 metros. Este equipo consta principalmente de. dos partes pivoteadas por medio de un eje central lo que le da flexibilidad para dar curvas de pequeño radio.

.

Está montado sobre neumáticos y equipada con un motor diesel, existiendo eventualmente versiones accionadas por motores eléctricos, cuando las condiciones de ventilación no son las más adecuada, pero resulta un equipo poco flexible por la autonomía que se logra limitada al largo del cable eléctrico. Una de las mayores ventajas de ros scoops en la construcción de túneles son: Autonomía

de operación

Capaz de cargar en la unidad de transporte. Rapidez de traslado Alta productividad Versatilidad Bajo costo de operación

TUNELES - 43

En la construcción de túneles estos equipos tienen una gran utilización y su elección dependerá

de condi-

ciones como: sección e inclinación de la galería y distancia de acarreo inherente del proyecto específico.

De Catálogo Seooptram sr 7800 Atlas Capeo Wagner ¡ne.

44

- CONSTRUCCION


I

Modelo

Balde

Motor

(yd3) (m3)

Modelos Scoop Wogner

Potencia Velocidada 0% (Km/hora) (HP)

19

29

39

49

0}6

ST2D

2,5

1,90

ST-3.5

4,0

ST-6C

6,0

ST-1800 12}

-i e Z ~ m (f) ~ Ol

DeutzF4L-912W

55

DeutzF6L-912

82

O012

Radiode Giro (mts.) Pesovacío

Dimensiones (mts.)

Largo. Ancho

. HST-1A 1,0

I

Alto Altura máx.op. Interno (Ref.Operador) (Ref. Balde)

Externo

(Kgs.)

5)8

1)2

1,83

2)9

1}5

3,51

5.058

6,63

1,65

1,98

3}1

2}0

4}0

11.540

8)2

1}8

1,96

3,90

2}1

5,47

16.930

16) 26,9

9,54

2,19

2,13

4)6

3)1

6)2

24.852

15,9 26)

11,56 3,10

92,91

6,61

3,50

7,50

46.500

3,4

6,6

10,9 18)

3,10 DeutzF8L-413FW 185

4,8

10,0 18,8

4,6

Detroit-Serie 50

250

5,5

9,8

9}

Detroit-Serie 6v

425

5,00 9,5

-

Calculo del Rendimiento de 1 Seoop Definiendo:

Tiempo de carga

tl (min)

Tiempo de descarga: Distancia de Acarreo:

t2 (min) d (mt.)

Velocidad vacio

Vl (mt./hora)

Velocidad cargado

V2 (mt./hora)

capacidad

c (m3)

El tiempo del ciclo estará dado por: te = tl + t2 + d/v2 + d/vl

(min)

El número de ciclos por hora estará dado por: N = 60}

(tl + t 2 +d/v2 + d/v1) (ciclos/hora)

y el Rendimiento horario será: R=

e x N ( m3 /hora)

Asumiendo que el scoop estará cargando un material quebrado y que existirá un coeficiente de utilización del tiempo tendremos que si:

h : coeficiente de llenado (O,75 - 0,90) k: coeficiente de utilización del tiempo (O,70 - 0,85) p : densidad del material esponjado (ton./m3) El rendimiento horario será: R

=c x N x fl

x k x - (tons/

hora)

El rendimiento calculado correspondea la operación de un scoop descargando el material a una distancia "d", Habitualmente para el trabajo de construcción de túneles se deberá estudiar el ciclo de trabajo del scoop operando en combinación con unidades de transporte como camiones dumper o carros de un convoy. 1.6.3.- Equipos de Transporte

en la Construcción

de Túneles.

La elección del equipo para el transporte del material excavado, en la construcción de túneles, estará directamente relacionada con el secció.ne inclinación del túnel y la distancia de transporte que se tenga. De todas formas se mantendrán las restricciones indicadas anteriormente, es decir a mayor desarrollo del túnel y secciones menores tenderemos a la elección de equipos no contaminantes, eléctricos o neumáticos, por la imposibilidad de incorporar grandes cantidadaes de aire fresco a la excavación subterránea y mantener los niveles ambientales admisibles para el personal. Pero, a medida que la sección del túnel aumenta se flexibilizan las posibilidades de tener una buena ventilación, y entonces podremos elegir equipos autopropulsados diesel, independientes, que dan una gran versatilidad a la extracción del material a superficies.

46

- CONSTRUCCION


En general mencionaremos los dos sistemas más usados en construcción de túneles: Locomotora a batería o diesel con carros. Camiones dumper o convencionales. 1.6.3.1.- Locomotora a batería eléctrica. La fuente de energía es producida por un sistema de baterías que lleva la locomotora cuya corriente eléctrica es transmitida al motor. La locomotora consta de tres partes principales: Cajas de baterías. Motores y sistema de transmisión. Controles de puesta en marcha y detención. La capacidad nominal de las baterías se expresa en ampére-hora, para una descarga efectuada en un período de tiempo determinado, generalmente se utiliza durante el lapso de 8 horas. La capacidad real que puede obtenerse es menor para los regímenes de descarga rápido que para los lentos. 1.6.3.2.- Locomotoras Diesel Lafuente de energía es proporcionada por motores diesel, normalmente de 4 y 6 cilindros que generan potencias de 30 a 120 HP. El consumo de combustible de estos motores es aproximadamente de 0,14 a 0,18 Its. por HP/ hora, dependiendo de las condiciones de operación. Uno de los aspectos más importantes en el uso de locomotoras diesel, en la construcción de túneles, es la definición de las necesidades de ventilación, para mantener un ambiente permisible. Una buena aproximación es considerar la necesidad de inyectar 3 m3/ min por HP operando de aire fresco. 1.6.3.3.- Carros del convoy El tamaño de los carros empleados para la construcción de túneles es diverso y su capacidad dependerá del peso específico aparente del material a cargar. De acuerdo a su capacidad, en general podemos clasificara los carros de acuerdo a su capacidad como sigue: Carros pequeños Carros medianos Carros grandes

0,8 1,4 2,7

a a a

1,4 m3 2,7 m3 5,4 m3

. La elección del tipo de carro y del convoy en general dependerá de: Sección de la galería a construir Distancia de transporte Rendimiento del avance adoptado Equipo de carguío elegido.

TUNELES - 47

Sistema de descarga.

Existen diversos sistemas de descarga distinguiéndose: Descarga frontal Descarga lateral Descarga por el fondo Descarga frontal: Reservado exclusivamente para carros pequeños, empujados manualmente y utilizados principalmente en la pequeña minería artesanal. Descarga lateral: Utilizado en carros de tamaño pequeño, mediano o grande y consiste fundamentalmente en tener el diseño del fondo de carro en forma de V o en rampa, con lo cual la descarga se hace por gravedad al abrir la o las dos compuertas laterales del carro. Otra modalidad muy utilizada es realizar la descarga mediante volteo lateral del carro. Dependiendo del tamaño del carro tanto el volteo como el accionamiento del carro pueden en forma normal (caja en VL mediante pistones o por medir mecánicos. Dentro de los tipos de carros con volteo lateral los más populares son: Carro Deqmville de 1 ton de capacidad Carros Granby de 2 tons. de capacidad.

Descarga en el fondo: Usado principalmente en carros de gran capacidad y de uso poco habitual en la construcción de túneles. 1.6.3.4- Camiones Dumper. Corresponden a unidades de transporte autopropulsadas, equipadas con una tolva con bajo centro de gravedad, basculante, que permite la descarga hacia atrás de la roca. Básicamente, los dumper están compuestos por un chassis pivoteado al centro, donde se ubican la unidad motriz con todos sus componentes eléctricos e hidráulicos de funcionamiento y la tolva de mineral. Están montados sobre neumáticos y son accionados por motores diesel. Existen diferentes marcas y modelos de este tipo de equipos, siendo los más conocidos los de marca Wagner de u.s.A. con capacidades que van desde 8 a 32 ton. Loscamiones dumper son unidades de transporte muy versátiles de transporte y actuarán en combinación con alguna unidad de carguío habitualmente una cargadora de bajo perfil de mina o scoop. En el cuadro siguiente se muestrfln los diferentes modelos de los camiones dumper de marca Wagner.

48

- CONSTRUCCION


Modelos Dumper Wogner

I

Modelo

Motor

Capacidad

.

PotenciaVelocidada 0%IKm/hora) (HP)

lyd3) 1m3)

lQ

2Q

3Q

4Q

......

e Z ¡:!] m (1) .¡:,.. -O

RadiodeGiro(mts.) Pesovacío

Dimensiones Imts.) Largo Ancho

Alto

Alturamáx.op. Interno

Externo

(Kgs.)

IRef.Operador) ITolvaarriba)

i

82

6,12

1,88

1,95

3,30

2,90

5,05

7.348

8,2

13,5 22,2 8,76

2,17

2,19

4,21

4,57

7,44

14.923

4,5

8,4

13,8 21,9 9,17

2,15

2,24

4,42

4,57

7,54

20.048

4;8

8,5

14,1 23,2 9,30

2,83

2,18

5,19

4,58

8,42

24.494

5,5

9,3

15,6 25,7 9,95

2,79

2,54

5,50

4,65

8,57

29.270

MT-408 5,8

-4,4

DeutzF6L-912W

MT-416 11,0

8,4

DeutzF8L-413FW 185

5,1

MT-420 13,0

9,9

DetroitDDEC471

200

MT-426 17,3 13,3 DeutzF12L-413FW 277

MT-431 20,1 15,4

I

Detroit-$erie 60

375

7,9 14,5 28,6

De Católogo Wagner Mining Equipment Co. MT 4 76 Rear-Dump Truck

1.6.3.5.- Combinación SCOopy camión dumper

Normalmente en labores de producción de minerales, será importante estudiar y definir el número de camiones dumper necesarios para cumplir con los planes de producción, y a su ez establecer'el número de camiones que nos mantendrán saturado el equipo de carguío, logrando con esto mayor productividad y menores costos en el sistema. En la construcción de túneles, generalmente es necesario realizar una serie de labores'tlnexas, inherentes a la construcción tales como:

drenaje de las aguas de perforación, colocación de pernos de sostenimiento

temporales, fortificación definitiva, toma de muestras si es una galería exploratoria, por lo que las operación de

transporte no está sujeta a "saturar al equipo de carguío", para aumentar el rendimiento de avance en la construcción. Normalmente se construyen estaciones de carga cercanas al frente de avance de la galería con el objeto que el scoop acumule rápidamente la roca proveniente de la limpieza del frente de trabajo y desde ahí se realiza la operación de extracción de la roca quebrada a superficie. Con esta modalidad la operación de extracción se puede realizar conjuntamente con alguna de las otra operaciones propias del ciclo que se esté realizando en el frente de trabajo.

50

-

CONSTRUCCION DE TUNELES, PIQUES y CHIMENEAS

.

Con lo anterior se 'logra: *

Dejar rápidamente el frente de trabajo limpio para realizar otras actividades del ciclo de

*

Hacer simultáneasalgunas operaciones del ciclocomopor ejemploel transporte con el iniciode

construcción. un nuevo ciclo de perforación, o el transporte con operaciones de drenaje de aguas y fortificación temporal o definitiva. *

Tener que contar con menos unidades de transporte de marinas, al no estar completamente en la

línea crítica del ciclo, la remoción de roca a superficie.

Como se puede apreciar, el tiempo de transporte influirá en el ciclo de construcción solo si se transforma en una actividad interferente respecto de la secuencia operacional.

1.6.3.6.-Calculo

del Rendimiento de un Camión Dumper.

Tomando como base el cálculo del rendimiento de un scoop, tenemos:

Si para el scoop : t1 : tiempo de carga ( min.) t2 : tiempo de descarga (min.) t3 : tiempo de maniobras (min.) El tiempo del ciclo de carga del scoop estará dado por: tc (scoop) = t1 + t2 + t3 (min.) Entonces si,

c:

capacidad del scoop en m3

cr

capacidad del dumper en m3

El tiempo de carga del camión dumper será: tc (camión)

= c1/c

*

(t1 + t2 + t3)

El tiempo de viaje tv del camión estará dado por: Sí

v2 V1 t4

: distancia media de transporte : velocidad cargado : velocidad vacío : tiempo de maniobras del camión

tv = I / Y2 + I/ Yl + t4 (minutos) TUNELES- 51

Así el tiempo del ciclo total del camión (tc), será:

tc= cl / c * ( tl + t2 +t3 ) + I / v2 + I / vl +t4 (minutos), para transportar cl m3 Entonces el Rendimiento

del camión dumper

será:

R = 60 x c1/ Tciclo(m3/hora) Para el caso que se requiera estudiar la operación del transporte de las marinas, saturando el equipo de carguío

, sin provocar

tiempos de esperas ,se deberá cumplir:

Si n: número de camiones dumper entonces el "tiempo de viaje de un camión deberá ser igualo menor al tiempo de carguío de n-l camiones" es decir:

1/ v2 + I / v1 + t4 = cl / c * [( t1 + t2 +t3) * ( n - 1)] Con esta relación se puede obtener una primera aproximación del número de camiones necesarios en un proyecto de construcción de túneles, considerando los tiempos adicionales propios del proyecto específico, tales como por ejemplo: drenaje de aguas, fortificación y otros.

52 - CONSTRUCClON DETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

.

2.- CONSTRUCCIONDEPIQUES

53

54

2.- CONTRUCCIONDEPIQUES 2.1.- Introducción.

Lospiquesson excavaciones verticales a subverticales, construidas en descenso, de sección circular, rectangular o cuadrada, y que requieren una completa infraestructura de apoyo, superficial y subterránea, tanto para su construcción como para su operación posterior. En la construcción de piques es necesario realizar una serie de subproyectos para lograr una infraestrucura adecuada. Definición del arreglo superficial del pique. Diseño y construcción de un peinecillo o castillete. Definición de los equipos de izamiento. Diseño del método de excavación. Diseño de los sistemas de drenaje y ventilación. Suministros de aire comprimido yagua. Suministro de energía eléctrica Definición del arreglo seccional del pique. Definición del sistema de sostenimiento. Proyectos específicos de Obras Civiles para la construcción Como se puede apreciar, la construcción de un pique, involucra el desarrollo de una serie de proyectos de ingeniería, de diferentes especialidades, que es necesario estudiar y resolver antes de iniciar la etapa de construcción La decisión de construcción de un pique es el resultado del análisis técnico-económico al comparar sus bondades con otra alternativa de acceder a niveles inferiores con fines de exploración, explotación de minerales u otro.

A

pesar de que es una de las actividades

mineras

más riesgosas,

es posible desarrollarla

con un buen

respaldo de ingeniería y control que nos permita transformarla en una operación segura, con los riesgos propios de cualquier actividad minera. Las dificultades existentes durante la construcción de un pique dicen relación con los siguientes aspectos, característicos de su operación: Area de trabajo limitada en el fondo del pique.. Descenso

y

ascenso continúo

del personal

hacia y desde el frente de trabajo.

Posibilidad de presencia de aguas subterráneas. Cambios en la calidad estructural de la roca durante el desarrollo del pique. Complejidad de la disposición de los equipos de carguío interior pique. Complejidad de la disposición de los equipos de izamiento y sus guías.

PIQUEs-55

2.2.- Procedimiento para el diseño de un pique. El seguir un desarrollo ordenado en el diseño de un pique nos permite ir evaluando la coherencia de las etapas resueltas yola vez la posibilidad de modificarlas estableciendo el grado de influencia que genera con otras actividades del diseño.A continuación se indica uno de los procedimientos para diseño de piques, universalmente aceptados, adoptado por las mayores empresas constructoras de piques del mundo, y que nos permite ordenar el estudio de diseño de la construcción de un pique y a la vez propone revisiones periódicas de todas las etapas y la posibilidad de realizar todas las modificaciones pertinentes, las veces que sean necesarias. * * * * .

Propósitodel pique. Ubicacióne Inclinación Definiciónde la cantidad y tipo de huinchesde construcción. Determinacióndel tamaño del balde de marina.

*

Definicióndel arreglo seccionaldel pique. Determinacióndel arreglo superficialdel pique. Diseñodel tipo de revestimientodel pique. Diseñodel sistema de ventilacióndel pique. Determinacióndel sostenimientotemporal en la etapa de construcción. Diseñodel brocal del pique. Diseñodel método de excavación.

*

Evaluacióny modificacionescon revisiónde todas las etapas.

* * '*

*

* *

2.3.- Propósito del Pique. Uno de los primeros temas a examinar será determinar cual es el objetivo que deberá cumplir el pique. En general podemos indicar que un pique será para cumplir uno o más de los siguientes propósitos conforme a la clasificación que se indica.

Producción Para la extracción de minerales y estéril provenientes de la explotación de una mina subterránea.

Servicios Para el acceso del personal y materiales en una actividad subterránea. Ventilación

.

Para lograr la entrada de aire fresco a labores subterráneas o para la salida del aire viciado formando parte de un circuito de ventilación. Exploración

Para realizar labores propias d~ determinación de reservas minerales, como por ejemplo accesode una máquina de sondaje, acceso del personal a toma de muestras, estudios geomecánicos, entre otros.

56 - CONSTRUCCION DETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

Combinación de los Anteriores

Propósito combinado de los anteriores que es lo normalmente que se establece al decidir la construcción de un pique.

2.4.- Ubicación e Inclinación del Pique. Normalmente la ubicación la ubicación de un nuevo pique en una mina estará asociado a resolyer tos siguientes aspectos: Ubicación y forma de la superficie de la mina. Ubicación, profundidad y extensión del cuerpo mineralizado. Cantidad de niveles de trabajo que serán considerados. Facilidad de manejo y extracción del mineral y el estéril que se produzca por la explotación. Definir la existencia de aguas subterráneas. Calidad geomecánica de la roca donde será emplazado el pique. Debe considerar los planes futuros de expansión que contempla el proyecto específico. En general podemos indicar que la ubicación del pique, tanto como sea posible, debe ser en una zona favorable desde el punto de vista topográfico, construirlo en una roca de buena calidad, especialmente en la zona del fondo, para facilitar futuras profundizaciones que se requieran. La profundización del piql,le es uno de los factores más importantes que se analizan cuando se está en la etapa de construir un pique vertical o inclinado. Normalmente las operaciones en un pique vertical es mucho más ventajosa que en un pique inclinado. Lasventajas relevantes asociadas a un pique vertical tienen que ver con los siguientes aspectos: a) La velocidad de los huinches de extracción es mayor por lo que se logran mayores capacidades de extracción. b) Loscostos de mantención de un pique vertical son menores ya que, en la extracción y movimiento del balde el único punto de contacto es entre el elemento de guiado del balde y las guías del sistema. c) En la etapa de construcción es más simple mantener una plataforma de trabajo con su sistema de guiado colgante fijo o flexible, que ir colocando rieles o algún tipo de guía al piso en la etapa de profundización. d) La profundización de un pique vertical es de mayor velocidad que un pique inclinado. Esto es muy importante en proyectos de construcción de nuevas minas ya que el aumento del tiempo de profundización, aumenta la carga financiera de los grandes capitales necesarios para el proyecto en desarrollo. e) La profundización de un pique vertical se puede realizar en casi cualquier tipo de terreno, considerando que el manejo de los sistemas de revestimientos es definitivamente más sencillo en un pique vertical. Habitualmente la construcción de piques de producción inclinados están asociados a cuerpos mineralizados inclinados

y profundos en que alcanzar el cuerpo mineralizado desde un pique vertical llega a ser excesivamente

alto con el aumento de la profundidad del pique.

PIQUES - 57

2.5.- Arreglo seccional de un pique. Corresponde

á la distribución armónica, de los espacios de la sección dé un pique, para asegurar una

operación eficiente del mismo en la etapa de construcción o producción. Lassecciones habituales de los piques son: rectangular, cuadrada o circular, y dentro de estas secciones será necesario distribuir en forma adecuada el área para los siguientes aspectos de la operación del pique: a) Sistema de izaje: Sección usada para el movimiento del balde de extracción de marina.

b) Acceso auxiliar del personal:

Sector con escalerajes

y plataformas

de descansos colocadas

cada 6

mts., generalmente, que sirve de acceso auxiliar y/o de emergencia para el personal.

c) Ventilación:Sector por donde pasará el ducto de ventilación. d) Servicios: Sector por donde pasarán todos los servicios del pique tales como: aire comprimido, agua, drenaje y energía eléctrica. La división seccional de un pique, puede ser realizado de las siguientes formas conforme al tipo de material el cual, además actuará como elementode soportede las paredesdel pique: Conjunto de vigas de madera en una sección rectangular.

Conjuntode vigas de acero en una sección rectangular. Conjunto de vigas de acero en una sección circular.

2.5.1.- Conjunto de vigas de madera en una sección rectangular. El conjunto de vigas de madera en un pique de sección rectangular, sirve para dividir la sección del pique, ya la vez, entregar sostenimiento a la paredes del pique. Normalmente, se colocan vigas de madera de lado a lado en el pique, con vigas divisorias, conforme al arreglo seccional del pique definido. Estavigas son normalmente de madera de coigue y de secciones de 8/1x8/1 a 1 2/1x 1 2/1

.

Cada conjunto se coloca a intervalos definidos, cada 3 o 4 mts. Y los espacios entre los conjuntos son revestidos con madera. En la siguientes figuras, se muestran algunos ejemplos de arreglos seccionales de 2 a 5 compartimientos, colocados en líneas o en pares.

~

58 -CONSTRUCCIONDETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

Distribución de los compartimientos en un pique rectangular de madera.

P

H

e MW

H

-

Tamaño exterior del enmaderado Sección de excavación

Dimensión del enmaderado Ancho (mt.)

3,5

Largo (mt.)

5,2

Area (m2)

18,2

4,1 5,8 .

23,8

Nomenclatura

H

e p MW

: Sector de izaje. : Area de la jaula del personal. : Area de servicios de aire, agua, ventilación, : Acceso auxiliar

energía.

del personal.

PIQUES - 59

Distribución típica de piques rectangulares

Sectores

de madera

TamañoInterior Comp. Dim. (mt.) Area (m2)

Compartimientos

TamañoExcavación Dim. (mt.) Area (m2)

2

1,9 x3,5

6,7

1,5x4,1

10,3

3

1,9 x 5,1

9,7

2,5 x 5,7

14,3

4

1,9 x 6,8

12,9

2,5x 7,1

17,8

1,9x8,4

16,0

2,5 x 9,0

22,5

5

I

Compartimiento: Madera: Esparciamiento: Guías:

H

I

H

I

V

I

CP

I MW I

1,4 x 1,4 mt. 10" x 10" 1,65 mt. 4" x 6"

60 - CONSTRUCCIONDETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

Izaje

H

Acceso Pers.

MW

SectorAuxiliar

AA

Ventilación

V

Jaula de Pers. .

C

Servicios

S

Detalle de un pique de madera

de 3 compartimientos.

Vista de planta.

Postes de madera de 8" x 6"

Guías de madera

Vigas de madera de coigue de 10 x 6"

f 1,80 mt.

1 -E

~

5,0 mt.

Vista de elevación lateral y de fondo.

Vista lateral

Vista de Fondo Postes

Í1-

I )J7lF

Guías de madera

PIQUES - 61

Esquema de un pique rectangular de madera. Sección:3,10 x 3,70 mt. Vista de Planta

Xr

'*

1 11

.* 2

~ 8

.., .. .. .. .. ..

12

3

*

9

,.

...

... .. .. ..

r

'*

~

4

5 6

J

x

~

/Y

Vista de Elevación

::

"

J( ~

:

:

: ~

2

9 ' 8

4

Xl 11 7

62

-


2.5.2.- Conjuntode vigas de acero en una secciónrectangular. La distribución de las vigas de acero en un pique de sección rectangular, sigue el mismo concepto general que con vigas de madera, pero con algunas diferencias importantes: Son estructuras casi completamente incombustibles por lo que las hace mucho más seguras que las vigas de madera. Por su calidad estructural, frente a las vigas de madera, son de secciones menores por lo que dejan un mayor espacio libre útil en la sección del pique, aumentando las posibilidades de tener una mejor ventilación. El espaciamiento entre cada conjunto dependerá de los esfuerzos dinámicos que deban soportar por efecto de las guías y, además por la calidad geomecánica de la roca, donde está emplazado el pique. Cuando la calidad de la roca no es buena, generalmente se usa estos conjuntos de vigas de acero, colocados cada 3 mt. En la vertical usando como revestimiento, hormigón, previo a un sostenimiento con pernos de anclaje, malla y hormigón proyectado. Lasáreas de cada uno de los compartimentos son variables, dependiendo del diseño específico estudiado. En las figuras, a continuación, se muestran detalles de secciones de piques con conjuntos de vigas de acero, y una distribución típica del área de piques rectangulares con vigas de acero.

Distribucióntípica de piques rectangulares con estructura de acero

Compartimientoscon Sectores

revest. de concreto

TamañoInterior Comn. Dim. (mt.) Area (m2)

TamañoExcavación Dim. (mt.) Area (m2)

2

2,10 x 5,80

12,2

2,70 x 6,45

17,4

3

1,70 x 5,40

9,2

2,30 x 6,00

13,8

C

4,00 x 6,45

12,9

4,60 x 7,00

32,2

C

3,60 x 6,00

21,6

4,30 x 6,65

28,6

5

tE

5

Compartimiento: Set de Acero:

I:wl

1,65 x 1,65 mt.

H

2,75 x 3,50 mt.

Izaje Acceso Pers.

MW

8WF31

Sector Auxiliar

AA

Ventilación

V C S

Espaciamiento:

3,00 mt.

Jaula de Pers.

1,65 mt.

Servicios

Revestimiento:

30 cms.

PIQUES - 63

Arreglo seccional de un pique de 5 compartimientos y con estructuras de acero

Líneas de aire, agua y energía

Area contrapeso Ductos de ventilación y concreto

Acceso auxiliar para el

personal

--

......

11111

11111

.

11111

Vigas de acero divisorias

Vigas de acero de contorno

Area jaula de personal

Vigas de acero divisorias

Area balde de extracción

Area balde de extracción

Vigas de acero de fondo

64 - CONSTRUCCION DETUNELES,PIQUES y CHIMENEAS

11111

2.5.3.- Conjunto de vigas de acero en una sección circular. El concepto de colocación del conjunto de vigas de acero en un pique de sección circular es el mismo que en otro tipo de secciones, con la salvedad que, normalmente los piques de sección circular, van revestidos con una capa de hormigón estructurado, de a lo menos 12" de espesor, y produce una superficie lisa y de fácil mantención. Losconjuntos de vigas de acero van colocados normalmente cada 3 mts. en la vertical y la distribución de los compartimientos se realiza por vigas metálicas de similares características. Las ventajas principales de un pique de sección circular, revestido con hormigón estructurado son: a) El pique queda habilitado para resistir grandes presiones del macizo rocoso. b) La sección circular resiste de mejor forma las presiones laterales, que un pique de sección rectangular, con conjunto de vigas de acero o de madera. c) La superficie lisa del revestimiento y la sección circular, produce una baja resistencia para el aire, lográndose mejores condiciones de ventilación. El flujo de aire es más aerodinámico al tener menores niveles de pérdida de carga. d) Bajo costo de mantención del pique por su alta estabilidad. Normalmente las reparaciones son en base a pernos de anclaje, malla y hormigón proyectado en tramos y sectores reducidos. e) La capacidad potencial del pique es mucho más grande en secciones circulares, debido a que es posible utilizar sistemas de guiados flexibles, con cables de acero, en el sistema de izaje, que aumenta la velocidad de extracción. f) La construcción de piques circulares, es muy adaptable para mecanizar algunas operaciones del ciclo de construcción, como: perforación, retiro de la roca excavada y colocación de sostenimientos. Por ejemplo podemos mencionar el uso de brazos electrohidráulicos en la perforación de piques circulares de gran diámetro yel uso del cryderman como equipo de carguío de la roca excavada. En las figuras a continuación se muestran algunos arreglos seccionales para piques de sección circular co~ vigas de acero

y revestimientos de hormigón.

PIQUES - 65

Esquema de piques con guías rígidas

Pique de Producción Diámetro útil : 4,9 metros

Pique de Servicio Diámetro útil : 4,9 metros

Area de acceso auxiliar

Area de baldes

Diámetro de excavación: 5,4 mt. Área de excavación: 22,9 m2 Área útil: 18,5 m2 Área de extracción: 4,4 m2 Área de ventilación :16,4 m2 . Área de vigas: 2,1 m2

66 - CONSTRUCCION DETUNELES, PIQUESy CHIMENEAS

Contrapeso

Diámetro de excavación : 5,4 mt. Área de excavación: 22,9 m2 Área útil : 18,5 m2 Área de servicio: 8,5 m2 Área de ventilación: 16,8 m2 Área de vigas: 1,8 m2

Esquema de piques con guías rígidas

Pique de Producción y Servicio. Diámetro útil : 6,5 mt.

Acceso de Personal

Pique de Producción Diámetro útil: 4,9 mt.

Cables

Area de Jaula

Area de baldes Area de baldes

Diámetro de excavación: 7,0 mt. . Area de excavación: 38,7 m2 Area con revestimiento interior: 33,0 m2 Area de extracción: 13,1 m2 Area de ventilación: 19,9 m2

Diámetro de excavación: 5,4 mt. Area de excavación: 22,9 m2 Area con revestimiento interior: 18,5 m2 Area de ventilación: 19,9 m2

PIQUES - 67

Distribución general del sistema de izaje de un pique.

Polea principal

Polea auxiliar

Peinecillo o castillete

~ Cables de acero

HiIin~he principal

Huinche auxiliar

Brocal del pique

Platafonna

de trabajo

"Balde de extracción

/ ¡---

//

/

~//

68

- CONSTRUCCION


2.6.- ArregloSuperficialdel Pique. 2.6.1.- Introducción. Corresponde al ordenamiento armónico de los equipos e instalaciones de superficie, que permiten un adecuado funcionamiento del pique, en su etapa de construcción y de operación futura. Las instalaciones y equipos principales de superficie son: HuinchePrincipal:Utilizado para la excavaciónpropiamentetaly será el encargado de movilizarel balde de marina. Generalmente es un huinche rápido, ya que influye directamente en el ciclo de construcción. Estos huinches son de capacidades variables, siendo el rango más común de 200 a 600 HP,desarrollando velocidades de 150 a 200 pies/mino HuinchesAuxiliares: Utilizados para bajar, suspender y desplazar la Plataforma de Trabajo, que es una construcción metálica, de forma similar a la sección del pique, de 3 a 5 pisos, que sirve de superficie de trabajo en las labores propias de construcción. Dependiendo del proyecto específico estos huinches auxiliares son de 20 a 40 HP de potencia, trabajando a una velocidad de 30 a 50 pies/mino Peinecilloo Castillete:Corresponde a la estructura de madera, acero o concreto que cumple las siguientes funciones principales: a) Soportar la polea por donde pasa el cable de izaje. b) Servir de estructura donde se instala el chute, por donde se descarga a superficie o sobre una unidad de transporte el material extraído. desde el fondo del pique.

2.6.2.- Ubicacióndel HuinchePrincipal. La ubicacióndel huinche principal estará en relación ccon la posición del peinecillo, y la ubicación de la polea del cable de izaje que se encontrará montada sobre una viga horizontal del peinecillo. Una de las condiciones de seguridad, para lograr un adecuado funcionamiento del sistema, es que: 11el ángulo horizontal de desviación del cable sobre la polea y el eje transversal del tambor donde enrolla el cable en su punto medio, debe ser inferior a 1,50." En la figura siguiente se muestra la disposición correcta'del sistema, y la relación de sus distancias. Eje tambor

Eje polea

I I I I I I I I

.,... .~. I I I I I I I I I I I I

~ I

,

~

-

T""'"

-

¡. ---"""""

A ,. -...

I I I I I I I I I I

L

~

I

PIQUES - 69

De acuerdo a la figura, si definimos que:

a : Angulohorizontaldel cable L : Distanciahorizontalentre polea y tambor del huinche A : Ancho del tambor -

tendremos que:

tg a

= A/2

L de donde

L=A/2 tg a

con a < 1,5 Q

~

2.6.3.- Peinecillo o Castillete.

2.6.3.1.- Introducción.El propósito básico de colOcar el peinecillo o castillete sobre el pique es soportar la polea que permite el paso del cable del huinche principal, hacia el balde de marina o jaula de personal. 2.6.3.2.- Tipos de Peinecillos. Estructuralmente se distinguen dos tipos de peinecillos: a) Estructuras de peinecillos en base a pies derechos y tirantes subvertcales tales como: *

Peinecillos tipo A

*

Peinecillos de 4 postes Peinecillos de 6 postes

*

b) Estructuras de peinecillos en forma de torres. Con el huinche montado a nivel del terreno Con el huinche montado sobre el nivel del terreno En estos tipos de peinecillos, el huinche se puede colocar en cualquier posición alrededor de la torre, manteniendo la relación de distancias entre la polea y el tambor del huinche principal. 2.6.3.2.- Altura del Peinecillo. La altura del peinecillo deberá quedar definida, con el análisis de los siguientes aspectos del diseño:

70

- CONSTRUCCION DE TUNELES, PIQUES y

CHIMENEAS

'----~.

Si, Hp: Altura del Peinecillo H1: Altura total del sistemade extracciónde marinas,es decir,altura del balde demarina másel estabilizador del balde. H2:

Altura desdeel piso al borde superiorde la tolva de vaciado o canoa.

H3:

Altura libre de seguridad normalmentede 2,5 a 3,0 mt

Rp:

Radio de la PoleaPrincipal.

Tendremos que:

Hp> Hl + H2 + H3 + O,75*Rp Con esta relación podemos determinar la altura del peinecillo para condiciones dadas. En todo caso podemos indicar que los peinecillos no debieran tener una altura menor a 15 mt. para establecer un adecuado manejo de la roca extraída. En la figura siguiente se muestran algunos tipos de peinecillos más utilizados.

PIQUES -71

Esquema de algunos tipos de peinecillos o castilletes

Peinecillo de madera tipo A. Descanso de la polea

,. uuu

Polea ~...:,. ...........

Peinecillo tipo 4 postes.

Cable

~

uuuuuuu

72

- CONSTRUCCION


2.7.- Collar del Pique. El collar del pique corresponde a la excavación y estabilización del primer tramo del pique. Normalmente el primer tramo del pique se encuentra emplazado en material común, en que la roca se encuentra fuertemente alterada y disgregable y presenta condiciones de gran inestabilidad. Habitualmente la profundidad de este primer tramo es de lOa 12 mt. y su excavación se realiza utilizando cargas explosivas menores y extrayendo el material con una grúa de superficie con un clamshell y balde. El sostenimiento se realiza colocando una capa de hormigón estructurado de unos 30 cm. de espesor, en la pared de la excavación y alrededor de la boca del pique en superficie. De esta forma se elimina los riesgos de desprendimientos de material desde el tramo inicial del pique más inestable. La colocación del hormigón se realiza por gravedad, previo a la instalación de moldajes de madera o metálicos. La calidad del hormigón a colocar dependerá de las necesidades de resistencia a soportar presiones laterales de las paredes del pique. Una vez que collar queda finalizado, el pique se profundiza unos 15 a 18 mts. con el objeto de instalar y suspender la plataforma de trabajo e iniciar el ciclo normal de construcción. En la figura a continuación se muestra una vista general de una construcción del collar de un pique.

PIQUES - 73

Esquema del Collar de un pique

Losa de 20 a 40 cm.

a) Perfil transversal del collar Eje del pique I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

Roca común disgregable

I Roca común disgregable

---r

Estructura de concreto armado de e= 10 a 30 cm.

2a 30

0 útil

Roca

Roca

b) Vista de planta Plataforma de concreto espesor de 20 a 40 cm.

Pique

0,5 a 1,0 0

<

)

Resistencia del hormigón estructurado de la losa: 250 Kgs/ cm2 a los 28 días.

74-

CONSTRUCClONDETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

2.8.- Definición de los Huinches y Cables de izaje en la etapa de construcción de un pique. 2.8.1.- Movimiento del balde de marina y acceso del personal. En la etapa de construcciónnormalmentese usa conjuntamenteel balde de extracción para retirar el material quebrado productode la tronadura y para accesodel personalque cumplirá funcionesen el fondo del pique. Enel diseñodel sistemade extracciónes necesarioresolverlos siguientesaspectos: a} Seleccionar el cable de izaje del balde de marina. b) Determinar características del Huinche de Izaje.

2.8.1.1.-Selección del Cable de Izaje. Para seleccionar el cable de izaje es necesario cumplir con las siguientes etapas: a} Identificar todos los pesos o cargas involucradas. b} Seleccionar un cable que cumpla con los requerimientos de carga, incluyendo el propio peso del cable seleccionado. c} Verificar que el cable propuesto es el correcto, considerando un factor de seguridad de

7.

Si definimos,

Peso del balde de marina vacío

wb

Peso del material a extraer Peso de los accesorios

Wm Wa

Imprevistos

Wi

El peso que el cable deberá soportar será:

Wt

=1,10 * (Wb + Wm + Wa)

PIQUES- 75

Si definimos, Peso máximo del cable suspendido: Wc entonces, la Tensión máxima requerida será

=

T Wt + Wc

(Tons)

y la Resistencia a la Ruptura del cable diseñado será, Rr = 7

* T (Tons)

La Resistencia a la Ruptura determinada, debe compararse con la Rr del cable elegido, y verificar que cumpla con las condiciones planteadas inicialmente. De no cumplir debe repetirse el procedimiento seleccionando un cable de mayor capacidad. A continuación se muestra una tabla que relaciona el diámetro de cables de acero norotatorios con la Tensión a la ruptura, indicando además el peso del cable en kg/mt.

Tabla

de Cables de Aceros Flexiblesy su Resistenciaa la Ruptura

Diámetro (Pulg.)

Resistencia a la Ruptura

1/2

8,94 11,25 13,88 19,78 26,77 34,75 45,45 55,79 67,22 79,74 93,44 107,96 123,38 139,71

9/16 5/8 3/4

7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 3/8 1 1/2 1 5/8 1 3/4

1 7/8 2


Efectiva

(Ton s)

Peso del Cable

(Kg./Mt.) 0,64 0,82 1,02 1,45 1,9 2,6 3,54 4,35 5,28 6,27 7,37 8,58 9,78 11,15

2.8.1.2.- Seleccióndel Huinche. Laseleccióndel huincheserealiza conociendola Tracciónmáxima requerida,ya indicada anteriormente. Ahora, si definimos, P : Potencia del motor del huinche (HP) V : Velocidad (fpm) . Generalmente de 150 a 250 fpm. T : Tracción máxima requerida. (lb.) E : Eficiencia mecánica del huinche.

Entonces, P

=V

*

T / 33.000*E

(HP)

2.8.2.- Movimientoy Suspensión de la Plataformade Trabajo. 2.8.2.1.- Plataforma de Trabajo. La Plataforma de Trabajo es uno de los elementos más importantes en la construcción de piques ya que corresponde a una estructura metálica de 3 a 5 pisos, de 6 a 15 mt., de sección similar a la sección del pique en construcción, que actúa como superficie de trabajo para el personal, materiales y equipos menores de apoyo, actúa como techo protector, para el personal, ante el riesgo de caída de materiales en las labores de fondo de pique y además sirve como elemento soportan te y de ubicación al equipo de marina en el caso de contar con carguío mecanizado.

2.8.2.2.- Seleccióndel cablede la Plataformade Trabajo. La figura a continuaciónnos muestraun esquematípico de una plataforma de trabajo operando en la construcciónde un pique.

PIQUES - 77

..............---.........------......-.-

p

~muuu] - - -.

-.

A

- - - -..................

'.

a

:

~'

De la figura anterior podemos escribir que el largo del cable será: Le = 2

. P + a - 2 .A

(mt.)

Como en el caso anterior será necesario, también, identificar todos los pesos y cargas involucradas en el trabajo de los huinches auxiliares. Además será necesario definir la cantidad de huinches que suspenderán la Plataforma de Trabajo.

78

-


Si definimos:

Peso de la cuadrilla de trabajo: Peso de accesorios

Wp Wh Wa

Peso de equipos menores Peso del equipo de carguío

We (Perforadoras, bombas neumáticas,elementos de fortificación, etc.) Wec

Contingencias

10 %

Peso de la plataforma

Entonces, el peso total será:

Wt = 1,10 * (Wp + Wh + Wa + We + Wec) Como mencionamos anteriormente la plataforma de trabajo tendrá la forma de la sección, similar a la del pique a construir. Para la construcción de piques de sección cuadrada, se utilizará habitualmente una plataforma de trabajo de sección cuadrada siguiendo un arreglo de 2 huinches auxiliares que la suspenderán, como se indique en el cróquis a continuación.

H-2

8muuu8¡umuuuummmmummmO

H-l

Plataforma de Trabajo

Ommuumumuuuuuu¡8

umumu8

Para determinar el tipo de cable será necesario establecer el largo del cable suspendido Lcsy el peso del cable.

PIQUES - 79

/IWV4

WV41/ Wt!2

Si para el arreglo con 2 huinches auxiliares, la longitud de cable por huinches es: Lt = 2*L 1 + L2 (mts)

Entonces, para el caso dé contar con un extremo fijo del cable, la Longitud máxima de cable suspendido Lcsserá: Les =

Lt/2

Yel peso total del cable será: Wes = Les * Peso unitario del cable

Ahora haciendo el análisis de cargas que el cable debe soportar, en un arreglo con 2 huinches auxiliares, de la figura siguiente tendremos:

L-l

L-l

L-2

80

- CONSTRUCCION


Entoncesla tracción máxima requerida será: T = Wt/4 + Wcs (Tons) Y, la Resistencia a la Ruptura del cable diseñado estará dada por: Rr

=7

* T (Tons)

La elección del cable debe cumplir con las exigencias de Resistencia a la Ruptura determinada, y de no ser así deberá elegirse un cable de mayor diámetro y repetir el análisis planteado. Para la construcción de piques circulares, normalmente se utiliza un arreglo con 3 huinches auxiliares. En este caso las fuerzas se repartirán conforme a la nueva disposición.

\\

//),

(,1

H-2

H"I

¡-.~--, L ~ H-3

Para cada huinche, la tracción por efectodel pesode la Plataformay todos sus elementos que contiene será Wt/6,

pero la influencia de la carga por el peso del cable suspendido se mantendrá inalterable siendo

función de su largo.

.

PIQUES - 81

rWV6

WV611 Wt/3

--¡

2.8.2.3.- Selección del HuincheAuxiliar.La selección del huinche se realiza conociendo la tracción máxima requerida, ya indicada anteriormente . Ahora, si definimos, P : Potencia del motor del huinche (HP)

V: Velocidad(fpm). Generalmente de 20 050 fpm. T : Tracción máxima requerida. (lbs) E : Eficiencia mecánica del huinche. Entonces, p

=V

*

T/

33.000*E

(HP)

82 - CONSTRUCClON DE TUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

Esquema de una Plataforma de Trabajo para un pique circular de 0 = 3,60 mt.

Guías fijas

1/

~

Cables de la Plataforma

~

Poleas de la plataforma

Separación entre niveles

-E

2,80 mt.

~ Niveles de trabajo

~

Poleas de la Plataforma Sector de paso del balde de extraccíón Sector para ubicar el equipo de carguio durante la tronadura

Diámetro de la Plataforma: 3,20 mt

Area de trabajo

PIQUES - 83

2.9.-Método de Excavación. 2.9.1.- Perforación La perforación de piques se realiza usando máquinas perforadoras manuales de piso o sinker, o, en forma mecanizada, usando brazos hidráulicos que van montado en la plataforma de trabajo. El uso de uno u otro método va a depender de la calidad de la roca, la presencia de agua en las labores de excavación, la sección y la longitud del pique a excavar. La longitud de perforación será variable, pero normalmente varía de 1,20 a 1,60 mt. con perforación manual con máquinas sinker o de piso, y de 1,60 a 3,20 mt. cuando se utilizan brazos de perforación electrohidráulicos o también llamados jumbos de pique.

Diagrama de Perforación con Rainuras

en V.

El diagrama de perforación sigue las mismas relaciones que el diagrama de perforación frontal, y se usa en secciones cuadradas, rectangulares o circulares. Generalmente se usa cuando se ha proyectado una excavación completa y no por etapas y en secciones mayores.

Diagrama de Perforación por Banqueo. Esuna técnica usada generalmente en piques circulares o rectangulares y consiste en realizar la excavación en un sector del área del pique, dejando el fondo del pique a distinto nivel, posibilitando con ello la acumulación de las aguas de perforación e infiltraciones naturales del terreno. La perforación se realiza alternativamente en uno y otro sector, llevando siempre un área de perforación seca y las labores de drenaje con lo que se asegura un buen funcionamiento de los explosivos y una disminución del ciclo de construcción. El número de tiros dependerá de al sección de excavación y la calidad de la roca a excavar. 2.9.2.- Tronadura.

Para la tronadura se utilizan generalmente explosivos que sean resistentes al agua y que generen una menor cantidad de gases.

Para los contornos del área del pique, si la calidad de la roca excavar lo amerita, será necesario usar explosivos de baja velocidad de detonación, de unos 2.400 mi seg., que nos aseguren provdcar el mínimo daño en el contorno excavar. Se usarán habitualmenteexplosivosencartuchadospara prevenir la acción del agua en su comportamiento final. El inicio del disparo se realiza desde superficie a la salida de la boca del pique usando detonadores eléctricos o no eléctricos de seguridad y de chicote tan largo como sea la profundidad del pique. Es muy usado en estos tiempos el iniciador magnético Magnadet, el cual se activa al hacer circular una corriente eléctrica por su un interior. Esta señal eléctric~ es única

y exclusiva, es decir no la produce ningún

equipo, instalación eléctrica, ni corriente ~rrante que estécirculando, solo la produce el equipo generador construido para activar este tipo de iniciador. Lo anterior nos entrega un sistema altamente seguro y confiable en la iniciación del disparo de pique, especialmente en las operaciones de alta cordillera donde la ~resencia de corrientes parásitas y campos eléctricos es habitual por efecto de la altitud. En las figuras siguientes se muestran algunos diagramas de perforación para secciones rectangulares y circulares.

84

- CONSTRUCClON


Tipos de Diagramas de Perforación en Piques Circulares

a) Pique circular de 0 = 9,0 mt.

-_-8

0

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~

~

9,Omt.

1

2

2,6 mí. 3

4

5

6

Profundidad de prerforación

Separación de tiros 1 y 2 Largo Largo Largo Largo Largo

del tiro del tiro del tiro del tiro del tiro

3 4 5 6 7

7

.

'

2,60 mt. 1,70 mt. 2,70 mt. 2,80 mt. 2,90 mt. 3,00 mt. 3,15 mt.

PIQUES- 85


Tipos de Diagramas de Perforación en Piques Circulares. b) Pique de 0

= 5,6 mt.

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J

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3,3 mí.

3

2

Profundidadde perforación Espaciamientotiros 1

1

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Espaciamiento tiros 2 Espaciamiento tiros 3

86

- CONSTRUCClON


2

3

3,3 mt. 2,0 mt. 4,0 mt. 5,3 mt.


Tipos de Diagramas de Perforación en Piques Circulares. c) Pique de 0

= 7,6 mt.

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2,0 mt.

3

2

Profundidad de perforación Espaciamiento tiros 1 Espaciamiento tiros 2 Espaciamiento tiros 3

1

2

3

2,0 mt. 3,0 mt. 5,4 mt. 7,2 mt.

PIQUES. 87

Tipos de Diagramas de Perforación en Piques Rectangulares a) Pique de 2,0 x 1,5 mt. con diagrama piramidal

.

f

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1,5 mt

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2,0 mt.

Il;mt b) Pique de 3,0 x 2,0 mt. con diagrama de banqueo por etapas

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2,0 mt.

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1

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"" ""' ~ 3,Omt.

1,6

88

- CONSTRUCCION


m"

2.9.3.- Carguío en Piques. El carguío del material

proveniente

de excavación

Los métodos que existen para realizar

de un pique.

de las tronaduras

es una de las operaciones esta operación

más influyentes en el ciclo los podemos

clasificar

en

métodos manuales y métodos mecanizados.

2.9.3.1.- Método Manual. Comprende la realización del carguío del material de roca proveniente de la tronadura con personal y herramientas al. balde de marinas. Este método es utilizado en secciones menores de piques donde la posibilidad de utilizar algún equipo cargador es limitada por razones de espacio. Normalmente el carguío manual se realiza en seccionesdel pique de hasta 2,5 x 2,5 mts.y en piques de poca profundidad. De todas formas en un método que conlleva mayores riesgos al personal y de baja productividad. 2.9.3.2.- Métodos Mecanizados de Carguío.

Corresponden a métodos de carguío del material de rocas provenientesde las tronaduras realizados con equipos especialmentediseñadospara cargar el balde de marinas,y que sonaccionados por aire comprimido y energía eléctricao hidráulica y son accionados por un operador que esta normalmente ubicado en la plataforma de trabajo. Los métodos de carguío de marinas de piques más usados son: a) Clamshell.

Corresponde a una unidad de carguío accionada por aire comprimido y que opera suspendida de la plataforma de trabajo y es accionada por un huinche neumático en las fases de tomar la roca fragmentada desde el fondo del pique, levantarla y colocarla dentro del balde de marina. La cuchara de carguío es de 3 partes y se abre y cierra por medio de pistones neumáticos.

.

El Clamshell es usado habitualmente en la etapa de construcción del collar del pique, suspendido de la pluma de un camión grúa lo que le da el movimiento radial para alcanzar todos los sectores de la sección del pique. En la etapa de profundización del pique, el Clamshell puede se usado suspendido de un Cargador Riddell, que estará montado en un riel horizontal ubicado en la Plataforma de Trabajo y que permite su desplazamiento horizontal. En este caso la apertura y cierre de la cuchara del Clamshell será por accionamiento de cables. La utilización del Clamshell es preferentemente en piques de sección rectangular y su autonomía será coherente con el ancho del pique. La capacidad de la cuchara del Clamshell es de 0,3 a 0,5 m3 y su rendimiento es de 25 a 35 tons/hora. b) Cactus Grab o Cascara de Naranja. Consiste en una unidad de huinche, accionado eléctrica mente, montado bajo la plataforma de trabajo y sobre una viga que suspende al Grab.

.

La viga donde está montada la unidad de huinche, tiene un movimiento radial por lo que permite que el Grab llegue a todos los sectores del pique. Un arreglo de poleas permite que el cable de suspensión de la cuchara Grab realice las operaciones de subir y bajar la unidad de carguío y la viga pivoteada en el centro del a plataforma permite el movimiento radial de la cuchara Grab.

PIQUES - 89

La cuchara Grab es de dos partes y su apertura y cierre se realiza por medio de un pistón de empuje accionado por aire comprimido. El tamaño de la cuchara Grab es de 0,40 a 0,85 m3 y su rendimiento dependerá de la calidad de la roca y de la sección del pique. e) Carguío eon Pala Neumática.

Consiste fundamentalmente en bajar al fondo del pique una pala neumática montada sobre orugas y realizar el carguío del balde de marina. La pala es operada por un operador y finalizada la operación de carguío en el ciclo de trabajo, la pala es alzada y colocada en la plataforma de trabajo, en espera del nuevo ciclo de carguío. El tamaño de la pala debe ser coherente con el área del pique, para contar con el espacio suficiente para las maniobras propias de la operación de carguío. Uno de los equipos usados en carguío de piques es el modelo Eimco 630, el cual necesita un espacio de a lo menos 4,8 mt. para una operación eficiente y no es práctico para el trabajo en piques inclinados. Su operación es más eficiente en rocas de buena calidad, decayendo, su rendimiento con roca de mala calidad y presencia de agua. La capacidad de la cuchara de esta pala neumática es de 0,25 m3 y su rendimiento neto es de unas 50 ton./hora. d) Cryderman.-

Consiste fundamentalmente en equipo de carguío diseñado bajo el mismo concepto que el clamshell, con la salvedad que los cables de operación se han reemplazados por cilindros neumáticos que le proporcionan una gran autonomía de operación en cualquier sección de excavación de pique. La cuchara está formada por dos partes similares y la operación de apertura y cierre se realiza por medio de dos cilindros accionados por aire comprimido ubicados uno en cada parte. La posición del equipo en cualquier punto de carguío, en el área del pique, se realiza mediante un cilindro c~ntral retractil que permite el acercamiento o alejamiento de la cuchara al punto de carguío

.

En la operación de tronadura, el equipo es izado, por medio del cilindro retráctil, dentro de la plataforma de trabajo al espacio, que en la operación de carguío, lo ocupa el operador del equipo. El Cryderman no se limita, como el Riddell, solo a piques rectangulares, sino que es Rosible-su utilización a cualquier tipo de sección. El rendimiento del Cryderman variará de acuerdo al modelo que se trate. En la tabla siguiente se muestran los tipos de Cryderman existentes y sus rendimientos referenciales.

Tipos de Cryderman

Descripción

Unidad

Betsy

Modelos Herman

Brutus

Capacidad del Balde

m3

0,143

0,287

0,573

0,57-0,85

1,13-1,42

1,84-2,27

Rendimiento

El Cryderman

m3/min

es el sistema de carguío más usado en la construcción

mente por su versatilidad

de adaptarse

a cualquier sección de carguío,

En las figuras siguientes se muestran cróquis de los diferentes construcción

90

de piques.

- CONSTRUCCION


de piques en la actualidad,

su rendimiento

y su seguridad

métodos de carguío

principal-

de operación

que se pueden usar en la

RECU13RllilENTO P.WED DEL PIQlfE., DE HORMIGON

,;

:

.,

CAfITRIA DE AIRF (ALVENIUS 4 ~\ CAÑERIAS DE AGUA PERFORACION y DRENAJE.

I

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ESTAlIQUE DRENAJE. BOME:::O.

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DRENAJE.

MOLDAJE METAI...J:Cl1 PARA HOR"IIGON:t;\R PAREDES. PLATAFOR"IA DBSERVICIO. POLEAS PLATAEaru~ DE SERVICIO

MANIFOLD AIRE 'l'

'l.'INCHE DE AIRE PARA SERVICI&S CABLE HUINCHE.. NEUHATICO DE SERVICIOS.

.

'1 "

CLAMSHELL NEUMATICO CroN CILINDRO NEU~ICO

BALDE

PIQUES - 91

Distribución del CargadorRiddellen la Excavacióndel Pique

Planta de la carGadora Wl 1,1arco d'31 enmaderado

en

Pala.

ltUD=U

Vista frontal carGadora

m

"Q

Detalle

de la

zt:;:;:TI

del

lJrotección

e u..r¡sado r a HIDDELL

92

- CONSTRUCCION


~

marco

de

Distribución del Cactus Grab en la Excavación del Pique

DUCTO DECONCRETO i

t m

i. ~

BALDE

REDDE AGUA DUCTO DE VENTllACION DE 42"

REDDEAIRE CABLEDE PlATAFORMA

MOLDAJES

PlATAFORMA'

LlNEADE CONCRETO

ANillO DE RETENCION

CACTUS GRAB

PERNOS DE FORTIFICACION

PIQUES - 93

Elementos de un Cactus Grab

HJUINCHE DEL

MOVIMIENTO VERTICAL

'\

-

"

- - - - - - - - - - - - '\A-'\ - - - - - - - --

t

CARRODEMOVIMIENTO RADIAL

CABINA DEL OPERADOR

CUCHARACACTUS

94 - CONSTRUCCION


Distribución del Cryderman en la Excavación del Pique

-.-:

--.----

. -....

PIQUES - 95

2.10.- Drenaje del Pique la presencia de aguas de infiltraciones naturales del terreno y el agua producto de la perforación será una dificultad en el ciclo e construcción que será necesario resolver. Una modalidad es la construcción de Estaciones de Bombeo cada una cierta distancia vertical constante en el pique, colocando estanques o piscinas de traspasos del caudal de agua hacia superficie. El drenaje se realiza desde el fondo del pique hasta la primera estación, normalmente con bombas neumáticas sumergibles, en ese punto se cuenta con un estanque regulador y separador de sólidos alimentando una bomba centrífuga de etapas. las- estaciones de bombeo en proyectos conocidos están construidas cada 40 a 60 mt. y son de una sección de 2 x 2 x 3 mt. y normalmente el sistema se diseña con una capacidad del doble del caudal de infiltración esperado, para lograr estabilizaciones rápidas en casos de cortes de energía o imprevistosde aumento de caudal. En la figura siguiente se muestra un diseño típico de una Estación de Bombeo de pique.

Vista de Planta Pique

Estanque

Galeria de 3 x 3 ml. Balde de extracción

largo de la galería: A diseñar conforme a las necesidades de almacenamiento de agua y capacidad de los sistemas de bombeo.

2.11.- Fortificación del Pique. El tipo de fortificación a utilizar en la construcción de un pique dependerá de la calidad geomecánica de la roca a excavar, la presencia de fallas y estructuras geológicas y la presencia de aguas de infiltración. Para facilitar el conocimiento de la roca a excavar en un pique, siempre será conveniente realizar un sondaje geotécnico por el centro del pique, el cual nos entregará la información de al calidad estructural en todo el desarrollo del pique. los tipos de fortificación serán algunos de los descritos ampliamente en el Capitulo: Fortificación, pero sin embargo es importante mencionar dos aspectos globales en la fortificación de piques. 96

- CONSTRUCCION


a) Fortificación temporal del pique.

Corresponde al sostenimiento que es necesario realizar en las paredes del pique enla etapa de construcción y generalmente en piques de calidad de roca buena a media pasa por la colocación de uno o combinación de algunos de los siguientes tipos de fortificación:

Pernos de Anclaje, Malla de sostenimiento y Hormigón Proyecta-

do en una o varias capas. b) Fortificación permanente del pique. Corresponde a aquel tipo de sostenimiento que se coloca posterior al temporal y que es normalmente es una capa de hormigón de lOa 20 cms. de espesor. Estetipo de sostenimiento se realiza conjuntamente con la excavación del pique para lo cual es necesario colocar cada 3 mt. anillos de sujección para los moldajes, también llamados Curb Ring, y el hormigón es transportado por gravedad desde superficie a través de cañerías de acero de 4" a 6" de diámetro hasta a concretar.

la zona

Una vez que el hormigón ha fraguado y también ha alcanzado la resistencia de diseño, se procede al retiro de los moldajes.

I

Habitualmente los piques construidos con revestimiento continuo de hormigón corresponden a piques de producción.

.

2.11.1.- Impermeabilización

.

Cuando la presencia de agua es importante en el frente de perforación y no es posible agotar la presencia de aguas emergentes, es posible controlar la salida de aguas emergentes del frente a perforar mediante inyecciones de lechada de cemento. El procedimiento a seguir es el siguiente: a) Realizar perforaciones avanzadas al frente de trabajo en forma de abanicos cubriendo a lo menos 4 mts. de avance. b) Inyectar por la perforación realizada una lechada de cemento con una relación de agua a cemento de 0)5 a 0,45, con aceleradores de fraguado y con microsílice para aumentar la condición aglomerante del cemento. Esta operación nos permitirá aumentar la probabilidad

de encontrar un frente de perforación con una

presencia de agua manejable con el desarrollo de la excavación. Estasinyecciones de lechada de cemento nos aumentarán el ciclo de trabajo, disminuyendo el rendimiento global de la excavación.

PIQUES - 97

2.12.- Algunos piques importantes construidos en Chile en los últimos años.

OBJETIVO

PIQUE

PROFUNDIDAD

TIPO DE SECCION

SECClON

(mts.)

Mansa Mina

Exploración

315

Circular

D= 3,6 mts.

Codelco-Chuquicamata Faride

Exploración

125

Cuadrada

3,0 x 2,0 mts.

Exploración

160

Cuadrada

4,1 x 3,8 mts.

Exploración

275

Circular

D= 3,6 mts.

Minera El Bronce Rosario Doña Inés de Collahuasi Ujina Doña Inés de Collahuasi

Como se puede apreciar no es muy habitual la construcción de piques. En varios proyectos de explotación de yacimientos profundos se ha adoptado el acceso principal por medio de rampas inclinadas por la mayor flexibilidad y facilidad que se logra en las labores de extracción. La construcción de piques, en nuestro país se ha limitado en el último tiempo para fines de exploratorios. En la tabla siguiente se puede apreciar los diferentes tipos de sostenimientos y. revestimientos usados en los piques anteriormente mencionados.

PROFUNDIDAD

MANSA

MINA

FARIDE

UJINA

ROSARIO

(mt.) O 50

98

Concreto

Concreto

Concreto

Concreto

Concreto

Eventual

Marcos de madera

Perno, mala y shotcrete

Marcos de madera

Perno, malla y shotcrete

100

Perno y malla

150

Perno y malla

200

Perno, malla y shot.

Perno, malla y shocrete Concreto

250

Perno, malla yshot.

Perno, malla y shotcrete

300

Perno, malla y shot.

- CONSTRUCCION

DE TUNELES,PIQUES y CHIMENEAS

3.- CONSTRUCCIONDECHIMENEAS.

99

100

3.- CONSTRUCCION DECHIMENEAS. 3.1.- Introducción. Definiremos como chimenea, a la excavación de labores verticales a subverticales, o inclinadas, generalmente con un ángulo mayor a 40Q,de secciones circulares, cuadradas o rectangulares, y que cumplen diversas funciones en el trabajo minero tales como: ventilación de la mina, servir de acceso al personal, cara libre de explotación, exploración, traspaso de minerales de un nivel a otro, etc. Como se puede apreciar las chimeneas cumplirán variadas e importantes labores en los trabajos mineros. Para su construcción se utilizarán diferentes metodologías dependiendo de los parámetros de diseño tales como: sección y longitud. Así podemos identificar: Métodos manuales. Métodos mecanizados. Métodos combinados. La clasificación va a corresponder principalmente a: a) Tipo de excavación. Perforación manual y explosivos Excavación mecánica por corte y cizalle b) Formade ascenso del personal. Manual por escaleras hasta una plataforma temporal. Ascenso y descenso mecanizado, hasta una plataforma incorporada al equipo. Estudiaremos, los métodos de construcción de chimeneas más utilizados en el trabajo minero. 3.2.- Chimeneas manuales convencionales. 3.2.1.- Definiciones. Corresponde a la construcción de chimeneaS"én la cual ascenso y descenso al frente de trabajo se realizo por medio de escaleras metálicas o de madera y la superficie de trabajo del minero y su ayudante, es una plataforma de madera que se va trasladando y cambiando de posición en altura, a medida que la excavación de la chimenea progresa. Las secciones máximas de trabajo recomendables con excavación a sección completa son: En sección circular En sección cuadrada

.

0 = 2,5 mt., S = 4,90 mt2 S = 6,25 mt2

Elmétodo convencional es autónomo hasta los 35 mt., sobre esa altura de construcción, se vuelve altamente Inseguro. La perforación se realiza con máquinas livianas tipo stoper, de 30 a 40 kgs., las cuales tienen la particularidad de poder perforar en forma vertical y ascendente. En este tipo de máquinas el émbolo de empuje CHIMENEAS - 1 01

se encuentra fijo a la extremo anterior de la máquina, evitando el pivoteo que tienen las máquinas livianas para perforación de galerías. El consumo de aire comprimido de estas máquinas es de 140 dm, como en el caso del modelo BBC-16W, a 200 dm en el modelo BBD-94W, ambas de la fábrica Atlas Copco. El diagrama de perforación, normalmente utilizado es en base a rainuras en V, y el consumo de explosivos dependerá de la sección a excavar. Por las características de este tipo de excavación se usarán solo explosivos encartuchados. Elmétodo es seguro hasta la altura indicada, y la tendencia actual es privilegiar una alternativa mecanizada en la construcción de chimeneas que están en el límite de la autonomía del método convencional.

3.2.2.- Ciclode Construcción. Definiremos

t t t t

Pl. A D P

los siguientes tiempos en el ciclo de construcción:

Ascenso y colocación de la plataforma. ( 20 a 30 min.) 20 * SO,5 siendo S, la sección de la chimenea.

: Acuñadura

: Marcar diagrama de disparo ( 15 a 20 min.) : Perforación del diagrama de disparo.

Siendo o n-

: número de tiros

L

: largo de perforación (mt.)

v

: velocidad de perforación (mt./min.)

P

m

: nQde máquinas perforadoras operando en forma simultánea

e

: eficiencia por simultaneidad de perforadoras en operación (%)

e

= 0,90

1 máquina

0,80

2 máquinas

0,75

3 máquinas

Entonces el tiempo de perforación (t ) estará dado por: p

t t t t t

=

(n * L) / (v * m * e) (min.)

p

e TR v F

: operacion~s de carguío del explosivo ( 1,5 a 2,0 min./tiro) : tronadura del disparo.. : ventilación 12 * (L)0,5,siendo L el largo de la chimenea, y válido hasta 180 mt. : fortificación, a definir dependiendo del tipo de sostenimiento a colocar.

De lo anterior podemos escribir que el tiempo del ciclo (TcL estará dado por: Tc

= tPLADPCTRvF + t + t + t + t + t + t + t (min.)


y el número de ciclos por día Nc estará dado por: Nc = 1.440 * fop

/

Te (ciclos/día)

en que fop es un coeficiente de utilización del tiempo dependiente de las condiciones de operación en cada caso específico. fop varía de 0,75 a 0,83. y si definimos como A el avance efectivo de cada disparo, el rendimiento de construcciónR estará dado por: R

= Nc * A (mt./día)

3.2.3.- Ventajas del método convencional. No requiere instalacionesni infraestructuraprevía al inicio de la excavación de la chimenea propiamente tal. El rumbo y la inclinación de la chimenea puede ser modificado, durante el desarrollo de la chimenea, cuidando mantener la inclinación adecuada para el escurrimiento de la saca o material quebrado proveniente de la tronadura.

A

través de la perforación

se puede lograr

un buen control

estructural

de las cajas de la chimenea,

utilizando además, explosivos adecuados según la calidad de la roca que se vaya encontrando. La utilización de tronadura amortiguada en el contorno de la chimenea, mejorará la calidad de la excavación. Las operaciones de sostenimiento, pueden realizarse inmediatamente y por las características de este método se podrán efectuar inspecciones visuales de la calidad del macizo rocoso, en forma constante, durante . todo el desarrollo de la chimenea.

3.2.4.- Desventajas del método convencional. Es un método que involucro altos riesgos de accidentes por el solo hecho de ser operaciones en altyra. Por lo anterior se requiere una constante observación de los procedimientos utilizados y las medidas de seguridad adoptadas. Es un método que involucro un considerable tiempo del ciclo, por el hecho de tener que ir formando la superficie de trabajo del minero, disparo a disparo. Es de baja productividad medido en términos de hombres-día por metro de avance, desarrollos horizontales.

y comparado con los

3.2.5.- Relación práctica entre el largo de perforación, la sección de la chimenea yel n!!de tiros.

Largode perforación según sección de la chimenea y n!!de tiros Dim.(mt.)

S: (m2) Lperf.(mt) 1,20 1,60 1,80

0= 1,0 0,78

l,Ox 1,0 1,00

0= 1,5 1,77

1,5 xl,5 2,25

0=2,0 3,14

2,0 x 2,0 4,00

0=2,5 4,90

2,5x 2,5 6,25

. X

X

X

X X

X

X X

X

X

24 o 26

25 o 28

28 o 32

NQde tiros Rocomedio

12 014

13 015

14 016

15 017

20 o 22

CHIMENEAS - 103

3.3.- Método de construcción utilizando Plataforma Trepadora Alimak.

3.3.1.- Definiciones. Correspondea uno de los métodosmecanizados de construcciónde chimeneasen el cual la perforación y la tronadura se realiza por métodos convencionales, y el ascenso del personal se realiza a través de un ascensor de construcción el cual tiene una plataforma, que sirve de superficie para trabajos en altura para el personal. Eltraslado de la jaula y la plataforma de trabajo se realiza a través de un sistema de rieles especiales que van anclados en la pared de la chimenea y que actúa como un sistema de guiado del conjunto. Elanclaje de los rieles se realiza con pernos de anclaje mecánico. Elaccionamiento de este equipo puede ser: neumático, eléctrico y diesel-hidráulico, alternativas que nos definirán la autonomía de operación. 3.3.2.- Descripcióndel equipo.

a) Componentes

básicos.

Unidad Propulsora.

Constituida por un sistema de piñones que engranan a la cremallera de un sistema de rieles de guiado que se van anclando a la pared de la chimenea, mediante pernos de anclaje. La propulsión al equipo se la da sistemas de motores neumáticos, eléctricos o diesel- hidráulico. Cuenta con diferentes sistemas de frenos que regulan las velocidades de ascenso y descenso del equipo. Armazóno Chassis. Estructura metálica donde se montan los sistemas de propulsión y frenado. Además en esta estructura se monta el "freno de paracaídas", que permite que el equipo descienda sin tracción, en caída libre, a una velocidad no mayor de 15 mt./min. Plataformade Trabajo. Estructurametálica,de forma similar a la secciónde la chimenea, pero de menor dimensión,que sirvede

superficiede trabajo para el personal,y que ademáspermitela colocaciónde losrieles,comosistemadeguiado, a medida que la chimenea progresa. Techo Protector.

Ubicado sobre la Plataforma de Trabajo, y protege al minero, mientras está realizando la perforación de los tiros.

Este

dispositivo puede ser operado en forma manual o neumática.

b) Sistema

de Guiado o Rieles.

Corresponden a un tipo de rieles especiales, que van anclados a la pared de la chimenea, y permiten el ascenso y descenso del equipo. Estosrietes son básicamente: una cremallera metálica compuesta por polines de 0 = 10 mm. Y 40 mm. de largo por donde engranan y avanzan los piñones de la unidad propulsara. Los rieles, llevan incorporado

además,

tres ductos de 0 = 1 '/4", que permiten la transmisión de los

servicios, tales como aire comprimido, agua y cables eléctricos, sin el peligro de deterioro a causa de las tronaduras. Existen diferentes tipos de rieles que cubren las necesidades en la construcción de chimeneas con este método:

104

- CONSTRUCClON

DETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

Rielesrectos. De 1,0 y 2,0 mt. de largo, y se usan en la etapa de excavación normal de la chimenea. Rieles curvos. De 1,0 y 2,0 mt. de largo y permiten enfrentar la curva desde la estación del equipo hasta el punto en que la chimenea toma su azimut e inclin~ción definitiva.

Rielescorrectores. De 1,0 mt. de largo, con una desviación lineal en uno de sus extremos y que permiten corregir variaciones menores del ángulo de inclinación o el azimut de la chimenea. Rielesreforzados. De 2,0 mt. de largo, y,se colocan inmediatamente a la salida de la curva de inicio de la chimenea, cumpliendo una labor adic~ohal de estabilizador de toda la columna d rieles superior. Estos rieles se colocan, habitualmente cada 40 mt. de desarrollo de la chimenea.

c) Tambor de enrollado o carrete. Permite el enrollado o desenrollado de la manguera de aire comprimido o cablé eléctrico, cuando se produce el ascenso o descenso de la Plataforma de Trabajo. d) Central de agua y aire comprimido. Corresponde a todo el sistema de generación y distribución de aire para la operación de la Plataforma Trepadora y al sistema de bombas necesarios para llevar el agua hasta el frente de perforación. e) Equipo telefónico. Para mantener la comunicación entre el personal asignado en la estación del Alimak y los mineros que laboran en la Plataforma de Trabajo, en altura.

~ Trepadorde Servicio.(Alicab) Corresponde a un dispositivo de idéntico concepto de propulsión que se instala a continuación de la Plataforma Trepadora, que se utiliz<.:lpara el traslado de materiales entre la estación de trabajo y el frente de trabajo evitando el descenso y ascenso de los mineros. Estesistema se usa frecuentemente en la construcción de chimeneas de gran desarrollo, sobre 200 mts. de

longitud, lo que permitedisminuir el tiempo de los ciclosde trabajo, al eliminar continuosascensosy descensos de la Plataforma de Trabajo.

CHIMENEAS - 105-.-

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PLATAFORMA TREPADORA ALlMAKSTH-5

De Raise C/imber A/imak Handbook

106

- CONSTRUCClON


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3.3.3.- Etapas en la construcción de chimeneas con Plataforma Trepadora Alimak. a) Estación del Alimak.

Corresponde a una galería de 3,5 x 3,5 mt. y de 8,0 a 12,0 mt. de longitud, construida en la línea del azimut de la chimenea en la cual se realiza el ascenso y descenso del personal a la jaula del equipo, se ubica el tambor de enrollado o carrete, que enrollará el cable eléctrico o manguera de aire comprimido y además en este lugar se realizarán las mantenciones y reparaciones del equipo. En esta galería también se ubicará la bomba propulsora del agua de perforación y el teléfono de comunicaciones.

Cróquis de la Estaciónde Alimak

Vista de Planta.

8 a 12mts. ~

~

Chimenea

3,5 m<:::J'"

'

~

Estación de Alimak

Acceso de scoop para carguio

/ Vista de Elevación

Chimenea

Estación de Alimak 8 a 12 mts.

~

.

~ ..

~

Galería de acceso para scoop

CHIMENEAS - 1 07

b) Construcción d'e

chimenea piloto inicial.

Comprende la excavación de unos 6 mt. del inicio de la chimenea, en forma manual convencional, con la sección definitiva de la chimenea, y que cumplirá los siguientes objetivos: * Fijar topográficamente el azimut e inclinación de la chimenea. * Instalar los rieles de la curva del inicio de la chimenea, que permitirá el traslado de la plataforma trepadora desde el descanso en la Estación del Alimak, a la posición vertical o subvertical hasta alcanzar el frente de perforación. * Colocar el primer riel reforzado, en la posición de inicio de la chimenea con azimut e inclinación .

definitiva, y que asegurará la columna de rieles.

Vista de Elevación

Curva de riel Plataforma y escalera Pernos de ~laje /

Roca del disparo Estación del Alimak

c) Excavaciónpropiamentetal.

.

Corresponde a la etapa en que ya se ha construido la chimenea piloto de inicio, se ha instalado la curva de rieles, y se ha instalado la Plataforma de Trepadora en el sistema de guiado y se puede iniciar un ciclo normal de excavación. Normalmente y después de haber superado los problemas propios de conocimiento del equipo, las etapas a) y b) no duran más de 5 días, trabajando en jornadas de 3 turnos por día, de 8 horas cada uno.

108 . CONSTRUCClON DETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

3.3.4.- Característicasde los diferentes modelos de Plataformas Trepadoras. La fábrica Alimak de Suecia fabricó los primeros equipos de este tipo, los cuales son accionados por diferentes tipos de energía que a su vez les va dar la autonomía de funcionamiento. La energía para accionar estos equipos será: neumática con 1 o 2 motores, eléctrica con 1 o 2 motores y diesel hidráulica que contempla un motor diésel, en ambos casos pero accionando 1 o 2 motores hidráulicos. Normalmente esta última modalidad se utiliza cuando se quiere alcanzar grandes longitudes de excavación, por ejemplo para la construcción de chimeneas de más de 800 mt. de desarrollo.

JAULATREPADORA ALlMAK

MODELOSDEEQUIPOSY SU AUTONOMIA Especificaciones\Modelode Equipo Unidades propulsoras N'1de motores Tipo de energia Area max. de chim. (m2)

5TH-5L

1

2

1

2

2

2

1

2

Neum.

Neum.

Elect.

Elect.

l(H) 1(D) Dies-Hidr

Dies-Hidr

15

10

9 150

150

Ve!. de ascenso(mts/min)

Ve!.dedescenso (mts/min)

15 a 20

15 a 20

Ve!.dedescenso por gravedad (mts/min) 25 a 30

25 a 30

Potencia de motor (kw)

5a9

1 1/2

1 1/2

10 a 14

10 a 14

2(H) l(D)

15

5

15

18

9

18

900

800

1100

1100

400

400

21

21

22

20

25 a 30

25 a 30

18

7 a 12

Consumo de aire comprimido (m3/min)

5TH-5DD

2

Altura max.recomendada(mts.)

Diametroducto de aire comprimido(plg.)

5TH-5D

1

Area max. de chim. a 45'1(m2) Long.max.recomendada(mts.)

5TH-5LL 5TH-5E 5TH-5EE

25 a 30 25 a 30

! 1 x7,5

2x7,5

1 x 31,5

2x21,5

En las figuras siguientes se muestran las diferentes formas de propulsión de las Plataformas Trepadoras.

CHIMENEAS- 1 09

Unidades Propulsorás de las Plataformas Trepadoras. Propulsión por motor nlum'tlco

Propulsi6n

por motor

Propulsi6n

Il6ctrlco

diesel/hidr'ulice

I T1 i

13

9

De Raise C/imber A/imak Handbook

Principates partes del Sistema de Propulsión.

Ilem 1

I

Ilem

Descripción

Motor neumático

K14 con deslizamiento

izquierdo

Descripción

9

Motor neumático

K14 con deslizamiento

Freno centrífugo

inferior

2

Manija de desembrague

10

3

Freno de mando

11

Embrague

4

Transmisión superior de espiral sinfín

12

Motor eléctrico

5

Volante

13

Motor hidráulico

6

Acoplamiento

14

Piñón que engrana

15

Armazón

de cadena

7

Transmisión

8

Freno centrífugo

11O - CONSTRUCCION

.

inferior de espiral sinfín inferior


izquierdo

centrífugo

en la cremallera

o chassis tipo U

del riel

3.3.5.- Carga admisible en la Plataforma Trepadora. Conforme a la información

entregada

por los fabricantes,

las plataformas

trepadoras

tendrán una capacidad

de carga límite /a cual será función del número de unidades propulsoras

que tengan. Las cargas estáticas máximas

permitidas

serán las siguientes:

en las operaciones

normales de construcción

de chimeneas

Para 1 unidad propulsara

2.500 kgs.

Para 2 unidades propulsaras

5.000 kgs.

Datos de Pesosy Carga para Jaula Trepadora Descripción

Peso o carga-(kg.)

Armazón con dispositivo de seguridad

170

Unidad propulsora con viga de soporte

470

Plataforma 1,6 x 1,6 mt.

230


320


480

Piernas para soporte plataforma 1,6 x 1,6 mt. (c/u)

15

Piernas para soporte plataforma 2,4 x 2,4 mt. (c/u)

30 .

Piernas para soporte plataforma con 2 unidades

propulsoras(c/u) Techoprotectoroperación manual Techoprotectoroperación neumática Jaula standard ( 1,0 x 0,6 x2,l) Jaula para plataformascon 2 unidades propulsoras Escalerapara trepadora Equipoeléctricoen Jaula para STH-5E/5EE Equipotelefónicoen Jaula para Ly D/DD Unidad Diésel Manguera neumática 1" (mt) Manguera neumática 1 1/4 « (mt) Manguera neumática 1 1/2" (mt) Cable eléctrico3 x 1Omm2 Cable eléctrico3 x 16 mm2 Pesopor persona

.

Peso por perforadora con aceros y accesorios

40 70 210 135 230 40 45 30 700 1,1O 1,20 1,52 1,12 1,58 100 100

Estos antecedentes nos permitirán verificar la realización de una operación adecuada y no provocar riesgos por sobrecarga del equipo.

CHIMENEAS - 111

3.3.6.- Ciclo de construcción de chimeneas con Plataforma Trepadora.

Definiremos

"

las siguientes etapas del ciclo:

T

Tiempo de ascenso al frente de perforación (Q1in.)

v

velocidad de ascenso (mt./min.)

AF L

Longitud media del ascenso (mt.)

a

De los antecedentes

T = L/v AF

TA

a

anteriores

tendremos

, dependerádel tipo de propulsióndel equipo.

que:

(min.)

:

Tiempo de acuñadura.

De antecedentes prácticos se tiene que: T = 2C)* sO,5(min.) en que s es la sección de la chimenea A

en m2

TCR Tiempode colocacióndel riel. : TCR= 30 a 40 mino ( considera una operación normal en roca de mediana dureza) TD

:

Tp

Tiempode marcar el diagrama de disparo ( 15 a 20 min.) Tiempode pérforación.

Siendo: n

número de tiros del diagrama

Ip

largo de perforación (mt.)

vp

velocidad de perforación (mt./min.)

m

número de máquinas perforadoras operando en forma simultánea.

Tendremos que:

Tp = (n * Ip) / (vp * m* e) (min.) en que: vp, variará según la dureza de la roca. (0,12 a 0,35 mt/min.), y e corresponderá a un factor de eficiencia por operaación simultánea de máquinqs perforadoras manuales. Losvalores que tomará e son los siguientes: e=O,90para

1 máquina

e = 0,80 para 2 máquinas e = 0,70 para 3 máquinas

112 - CONSTRUCCION


T L

: Tiempode descensoa buscar explosivos : Longitudmedia del ascenso(mt.)

V d

: velocidad de descenso(mt./min.), dependerádel tipo de propulsióndel equipo.

DE

De los antecedentes

TDE =L

/

anteriores

tendremos

que:

vd (min.)

TAE : Tiempode ascenso con explosivos. TAE =L / va (min.)

: Tiempode carguío delexplosivo, 1,5 min/tiro. : Tiempode descenso con el personal.

TCE TDP TDP = L/v

d

(min.)

.

: Tiempo de despeje y tronadura : Tiempode ventilación.

TTR Tv

deldisparo, 15 a 20 mino

Siendo: L

: Longitud media del ascenso (mt.), entonces,

=

Tv 12 * LO,5(min.) TF : Tiempode fortificaciónde la chimenea. Se definirá para cada caso específico y ¡-¡pode sostenimiento a utilizar. Así, podemos escribir que el tiempo del ciclo de construcción

(Tc)

estará dado por:

=

Tc TAF + TA + TCR+ TD + TP + TDE + TAE + TCE + TDP + TTR + TV + TF (min.) y el númerode ciclos por día Nc, estará dado por: Nc

=(1.440/

Tc)* Fop (ciclos/día)

En que Fop corresponde operación.

(Fop

=0,75

a un factor de utilización del tiempo propio del tipo de faena y condiciones de

a 0,83)

Ahora si definimos como A: Avance real de la chimenea por disparo, medido en metros por disparo, tendremos

R

que el Rendimiento de Avance de la chimenea estará dado por:

=Nc

*

A ( mt./día)

CHIMENEAS - 11 3

Ciclo de Operaciones de la Plataforma Trepadora.

De App/ied Exp/osives Techn%gy for Construction and Mining, by Stig %fsson

3.3.7.- Ventajas del método de construcciónde chimeneas con Plataforma Trepadora. *

Esun métodoque proporciona seguridad al personal, por la facilidad, rapidez y comodidadque

otorga la operación de ascenso y desc~nso con un equipo autotransportable. *

La opción de contar con una jaula de servicio, facilita el traslado de materiales e insumos,

especialmente en la construcción de chimeneas de gran desarrollo. *

Lascaracterísticasdel equipo otorgan una excelentesuperficiede trabajo, loque permiterealizar

todo tipo de operaciones mineras en el frente de trabajo, ya que al desplegar las aletas adicionales de la plataforma, cubre prácticamente todo el área de la chimenea.

114

- CONSTRUCClON DE TUNELES, PIQUES y CHIMENEAS

* La incorporación del aire comprimido a través de los rieles, permite iniciar la remoción de los gases de tronadura inmediatamente después de realizada. Esta inyección de aire fresco directamente en el frente tronado, a corta distancia, es una gran ayuda para reducir los tiempos de ventilación. * El continuo ascenso y descenso de la plataforma trepadora permite realizar continuas inspecciones de las condiciones estructurales de la roca de caja de la chimenea, en todo su desarrollo. Esta particularidad nos permite tomar todas las medidas preventivas para asegurar la calidad de la excavación. 3.3.8.- Desventajas del método de construcción de chimeneas con Plataforma Trepadora.

*

Para este tipo de operaciones se requiere contar con personal altamente especializado y capacitado

para la operación y mantención del equipo. Por el gran número de componentes mecánicos, que tiene el equipo, se requiere una rigurosa mantención. *

Eldescuido

de esta actividad lo vuelve altamente inseguro.

En las operaciones de acuñadura el equipo queda expuesto al daño. La caída de rocas es

directamente sobre la plataforma de trabajo y sus componentes. * Desde el punto de vista constructivo se requiere excavaciones adicionales para la instalación del equipo y una infraestructura previa, antes de iniciar la construcción de la chimenea propiamente tal. Construir la estación de la Plataforma Trepadora, es costoso y debe incorporarse al costo global de la chimenea. Se hace indispensable en este tipo de proyectos intentar utilizar alguna galería antigua de la faena para ser usada como estación. * La Plataforma Trepadora es de alto costo de inversión. El costo de uno de estos equipos, dependiendo de la longitud

en rieles que se requieran,

varía de unos

US$ 300.000 a US$ 450.000.

3.4.- Método Vertical Cráter Retreat (VCR) 3.4.1.- Teoría de la Tronadura

tipo Cráter.

El concepto de voladura tipo cráter y su desarrollo es atribuida a C.W. Livingston, cuyo trabajo resultó ser una buena herramienta para entender el fenómeno de esta tronadura y su aplicación en minería subterránea. Cuando una carga esférica es detonada bajo la superficie, los efectos de la tronadura son transmitidos en todas direcciones generando un cráter en superficie, cuyas características dependen de la ubicación de la carga. En los experimentos con cargas concentradas, Livingston encontró que el largo de la carga no debe ser mayor a 6 veces el diámetro de la perforación que la que contiene. De está forma el comportamiento de la tronadura es el mismo si se tratase de una carga esférica.

Asi

Lc

:::;

6 *0

(1) .

siendo

Lc

longitud de la carga (cm.)

0

diámetro del tiro (cm.)

Realizando una serie de análisis de tronaduras, se ha encontrado que existe una relación entre la energía que desarrolla el explosivo y el volumen de roca removido por la explosión, relación que también depende de la ubicación de la carga.

CHIMENEAS- 115

Livingston expresa esta relación mediante la ecuación empírica: N = E * W 1/3

en que: N : Profundidad crítica, a la cual se perciben los primeros signos de acción en forma de grietas y fracturas. E : Factor tensión - energía, constante, característica de cada combinación roca - explosivo (m/kg 1/3).

W : Peso de la carga - explosivo (kgs) La ecuación

(a) puede escribirse:

d = .el* E * W 1/3 b

(2)

en que:

db : Distancia

entre el centro de gravedad de la carga y la superficie, es decir el burden (mts)

~ : db / N es la razón de profundidad, númeroadimensional. Cuando d b es tal que maximiza el volumen del cráter, se le conoce como profundidad óptima, d o.

Pruebas de Cráter.

Consistefundamentalmenteen realizar una seriede perforaciones,en las cualesel pesode la carga y la

.

roca no cambian, variando solamente la profundidad de los tiros. Cada uno de los tiros es tronado y luego se mide el volumen del cráter formado, para posteriormente llevar estos valores a un gráfico ~ = d b / explosiva = V / N).

N versusel nivel de energía (volumendel cráter/peso de la carga

Establecida la curva, es posible identificar los diferentes rangos de fragmentación de la roca, como asimismo, los parámetros óptimos que maximizan el volumen de roca removido en una voladura tipocráter.

116

-


Representación conceptual de las Pruebas de Cráter.

v/w

Proyecciones

Fragmentación adecuada

Carga superficial

Fragmentación gruesa

Solo grietas, fTacturamiento

menor

Carga muy profunda

V : Volumen del cráter W : Peso de la carga explosiva N : Profundidad crítica de la carga db : Profundidad de la carga A : Razón de profundidad

A = db/N

Ao

CHIMENEAS - 11 7

Ecuación del Procesode Quebrado. Livingston reconoce la importancia de la forma' de la carga y expresa el proceso de quebrado de la roca mediante la ecuación.

(3)

V/W=P*A*D*C donde:

V: Volumen del cráter formado por una carga explosiva de peso W, ubicada a una cierta profundidad (m3). C: Expresa el efecto de la forma de la carga, adimensional. A: Expresa la utilización de la energía del explosivo, adimensional. B: Refleja el comportamiento de la roca, adimensional

Si~en la ecuación (3)

A = V / Va

(4)

La variable A será la razón entre el volumen del cráter a cualquier profundidad db y el volumen a la profundidad óptima, d . El máximo de AOserácuando db = d° y V = V°, Y en estecasoA = 1. Si N = E * Wl/3 La ecuación de quebrado puede escribirse como V /N3 = A * B * C

luego B = (V / N3) / (A * C)

(5)

Ahora, cuando una carga < esférica se coloca en d ,entonces V = V Y A = e = 1, entonces la ecuación (5) puede expresarse como:

B= V /

N3


°

°

El índice de comportamiento de la roca será una medida de la parte de la energía del explosivo que se utiliza en el proceso de quebrar, compactar y deformar plásticamente, que preceder a la fragmentación. Lavariable C representa la razón entre el nivel de energía, expresada como el volumen del cráter producida bajo cualquier condición y el nivel de energía de un cráter de un disparo efectuado bajo condiciones óptimas. Este número será próximo a uno cuando nos acerquemos a las condiciones óptimas. Las tronaduras con varios tiros, naturalmente nos producirán desviaciones de las condiciones ideales. Distancia entre tiros. El volumen del cráter originado por una carga esférica ubicada a una distancia d puede asimilarse a un cono de altura d o y base TR2,entonces:

o

v = (do * p * R2)/ 3 Reemplazando en la ecuación de quebrado (3) y con A = C = 1 R2= (W / d ) * (K ) o

1

en que

K1 = (3 * E3* B) / P como

d = D * E * Wl/3 o

o

tendremos

que:

R= (K1 - * Wl/2) / (D * E)1/2* Wl/6 si K =(K 1/2)/ (D * E)1/2 2

1

o

entonces: R = K * Wl/3 2 Estos nos indica que el radio del cráter sigue una relación proporcional a la distancia d . Al tener más de un tiro en la detonación la separación de ellos tiene que ser tal que exist~ una interacción entre los cráteres formados, de modo que se obtenga la mayor excavación de la roca. Conforme a lo anterior podemos indicar que la separación entre tiros debe ser:

2R>-S>R El valor de S, determinado así, nos da un primer rango de operación, el cual debe ser ajustado con pruebas de terreno.

CHIMENEAS- 11 9

Separación

entre Tiros

1/2/3/4/ /

/

'"

/

/

'"

/ / / / / /

/

~

R

'Zona del cráter

3.4.2.- Aplicaciones

es utilizado

y seguridad.

las cuales han ido ajustando los resultados.

y

obtenidos

Relación de espaciamiento

S=R

2

S = 1,25 * R

3

S = 1,50 * R

4

S = 1,75 * R

5

S=2*R

ha dado

tanto de producción

buenos resultados

El método ha sido aplicado

de detonaciones

en pruebas

de cráteres

y

ajustados


y su autonomía

de productividad,

es

rendimientos,

en diversas faenas mineras nacionales y extranjeras de cada ambiente,

de varios tiros en una tronadura como la tronadura

como de desarrollo

en términos

los parámEftros teóricos a las condiciones

Por lo anterior tanto la perforación teóricos

~

1

en excavaciones,

de hasta unos 70 mt. Su aplicación

La combinación

/ /

del método V.C.R.

El método V.CR.,

costos de operación

/ /

"'/ / / / Á / / / / V / / / /"'/ / / / X / / / / "'/ / / A

/

L

/ /

tipo cráter definen la base del método.

requieren definir parámetros

a las experiencia

con el fin de optimizar

de terreno.

basados en antecedentes

3.4.3.- Perforación

V.C.R.

Consiste en perforar una serie de tiros paralelos verticales o inclinados de acuerdo a un diagrama de disparos de definido, por ensayos previos. Estaoperación requiere dos niveles, uno donde se instala el equipo de perforación y otro donde deben romper las perforaciones. El rango de diámetro de perforación habituales de 3/1a 6 -, usando preferentemente equipos de perforación Down the Hole (DTH), lo que da mayor estabilidad a la perforación y una menor probabilidad de desviación de los tiros. 3.4.4.- Tronadura

V.C.R.

la tronadura se efectúa en etapas cargando los tiros desde el nivel superior. El tramo de los tiros cargados es tronado en etapas, secuencialmente, de manera que las excavaciones formada por las detonaciones interactuan de tal forma que el conjunto genere un avance ascendente. En este sistema la fuerza de gravedad actúa en el proceso de quebrado de al roca y por la forma que se carga, se produce un buen confinamiento por lo que a menudo la altura del cráter producido es a lo menos igual al límite superior de la carga.

3.4.5.- Relaciones entre el Burden (B),el diámetro de perforación (0) y el peso de carga (W). Una buena estimación para definir el óptimo en un diagrama es que el Burden optimo es alrededor de un 50% del Burden Crítico. Es decir:

B = 0,5 * Bc o El Burden crítico depende del peso de la carga explosiva y conforme a las relaciones de livingston

podemos

escribir que.

B = E* W

1/3

Siendo E: Factor de energía de quebrado que depende de las diferentes combinaciones roca-explosivo. (1,3 a 1,7) Entonces si W es el peso del explosivo tenemos que: W=p

e

*V

Siendo:

. p : densidad de carga del explosivo e

V : volumen ocupado por el explosivo Entonces: W=p

e *V

(2)

CHIMENEAS- 1 21

por otro lado:

v = (rc02) * Lc /

4

en que Lc:largo de la carga explosiva.

Por lo tanto: si Le = 6 * 0 y reemplazando en (2), tenemos: w= 4,71 * pe * 03

(3)

Reemplazando y ordenando

Be = S * 0 * 1,68 (p e)3 Como: B = 0,5 * B o

B = 0,5 * S * 0 * 1,68 (p )1/3 o

e

Es decir:

Bo = 0,84 * S * 0 * (pe)1/3

Con estas relaciones podemos definir resultados parámetros teóricos en una tronadura VeR. Estosparámetros, como hemos indicado anteriormente, deberán ser ajustados con las experiencia de terreno. 3.4.6.- Diagrama de Disparos en V.C.R. Existe una gran variedad de diagramas de disparos para la ejecución de chimeneas VeR. que serán característicos de cada faena en particular. En la tabla siguiente se muestran algunos ejemplos de los parámetros

utilizadosen chimeneasveR.

122

- CONSTRUCClON


.

Parámelros de Perforación y Tronadura del método V.C.R.usados en algunas faenas mineras.

Faena

Mantos Blancos

Sección de la

Número

0de

chimenea

de tiros

3,0 x 3,0 mt.

10 (6c, 2

long.de

Taco

Carga

perforo superior

carga

inferior

por tiro

61/2«

1,5 mt.

1,6 mt.

32 kg. Anfo

3,0 mt.

3,0 mt.

1,0 mt.

58 kg. Anfo

4,0 mt.

1,0 mt.

lA mt.

20 kg. Anfo

2,5 mt.

1,3 mt.

0,5 mt.

15 kg. Anfo

1,8 mt.

1) mt.

0,6 mt.

16 kg. Emulex

1,8 mt.

23 kg. Anfo

2,6 mt.

v) Mantos Blancos

0 = 3,8 mt

Taco

2,5 mt. (ripio)

10 (4c, 1v) 61/2«

3,0 mt.

5 (lc)

61/2«

1,Omt.

5 (lc)

41/2«

0,4 mt.

(ripio)

ElSoldado

2,5 x 2,5 mt.

(agua) Andina

1,0 x 1,0 mt.

(arena) El Teniente

0 = 3,0 mt.

RiverMine

3.0 x 3.5 mt.

9 (5c)

41/2«

0,6 mt.

(dentritus)

(dentritus) 10 (4c, 2v) 61/2«

(Australia)

2,0 mt.

0,8 mt.

2,2 mt.

(gravilla)

(cL 1,2

y 1,8 m.

Avance.

m (lat) Centennial

(Canada)

2A x 2A mt.

5 (1c)

61/2«

1,0 mt. (agua)

1,2 mt.

2,3 mt. 34 kg. Hidromex (dentritus) 1,1 mt.

Notas: (c) tiro centra" (v) tiro vacío, (Iat) tiro lateral o de contorno.

CHIMENEAS- 123

.'

Diseño de diagrama

de disparos para construcción de chimenea V.C.R.

Sección circular de ((J = 2,40 mt.

Tiros de 0 = 41/2"

/

. . .

Taco superior

¡/

í 0,70 mt.

f

TT 1,75 ml.

1,40 mt.

~

12,40ml.

124

- CONSTRUCCION


Taco inferior

Diagramasde perforación habituales en chimeneasV.C.R. a) Seccióncuadrada de 3,0 * 3,0 mt., con 0

= 6 1/2"

.

-r-18

~

.

3,0 mt.

I K

I 3,0 mt.

)j

I

I

b) Seccióncuadrada de 3,0 * 3,0 mt., con 0

000

Perforaciones DTH 41/2'"

.

. I

_1_18 I

.

de

'

I K

= 4 1/2"

.

-r -18

.

de 61/2'"

.

_1_18

3,0 mt.

Perforaciones DTH

-

Tirosvacíos

I

3,0 mt.

)j

I

CHIMENEAS - 1 25

3.4.7.- Secuencia de Operación en una Chimenea V.C.R. a) Perforación. * Preparación de la estación donde se ubicará el equipo de perforación. * Instalación de los servicios de aire¡ agua y energía. * Marcaje de los tiros¡ instalación del equipo y empate de tiros. * Fijación de los antecedentes topográficos que nos controlarán la precisión de la perforación y la colección de datos para el carguío de explosivos. * Perforación de los tiros.

b) Tronadura. * Medición de los tiros: Permiteverificar el avancedel disparo anterior y ubicar el centrode gravedad de la carga a la distanciado * Colocación de los tacos inferiores y rellenar los tiros con gravilla a la altura deseada. * Comprobar el hermetismo del pozo comprobando que no exista escape de aire. * Proceder a vaciar el explosivo granulado¡ midiendo constantemente y así llegar hasta la cantidad determinada. * Depositar el iniciador como sigue:

.Iniciador cilíndrico: en el.centro de la carga Iniciador cónico: 10-20 cms antes de terminar la carga. Vaciar la gravilla¡ como taco superior¡ hasta la altura calculada.

3.4.8.- Ventajas y Desventajas del método V.C.R.

Ventajas: * Método de construcciónaltamenteseguro en la perforación y la tronadura¡ ya que se evita el acceso del personaldentro de la chimenea. * Porla característicasdel método¡esde mejor productividadexpresadaen HD/mt. de avanceque los métodos convencionales.

* La utilización de equiposDTH¡disminuyeel nivel de ruidos¡ en el ambientede trabajo. Desventajas: * No es posible modificar el rumbo e inclinación de la chimenea. * Genera un mayor consumo específico de explosivos medido en kgs/ m3excavado.

* Debecuidarse rigurosamenteel alineamientoy paralelismode los tiros ya que en desviación disminuye drásticamente las bondades del método. * No es posible fortificar la chimenea en su etapa de desarrollo y resulta muy dificultoso hacerlo en una etapa posterior.

126

- CONSTRUCCION


Esquema de excavación de una chimenea, usando V.C.R. Etapa 1: Perforación de los tiros usando un equipo con perforadora tipo down the hole. Etapa 2: Carguío de los tiros vaciando explosivos granulados desde el nivel superior.

Método de Excavacion V.C.R.

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CHIMENEAS- 1 27

3.5.- Método con Equipo Raise-Borer. 3.5.1.-Definiciones. El método de construcción de chimeneas con Raise-Borer, incorpora la utilización de un equipo que realiza básicamente las siguientes operaciones. * Construcción de un tiro piloto de un nivel a otro. * Escariado del tiro piloto a la sección deseada sin utilizar explosivo. Conforme a los antecedentes históricos disponible el primero de estos equipos se utilizó en mina de U.S.A. y perforeba un tiro piloto de 0,2 mt. de diámetro, para posteriormente escariarlo a un diámetro de 0,9 mt. Estosequipos son utilizados tanto en la minería, como en la construcción y pueden excavar chimeneas de diámetros entre 0,7 mt. y 6,4 mt. y llegando a longitudes de 500 a 600 mt. La selección del equipo dependerá del tipo de roca a excavar. En rocas blandas las posibilidades de excavar mayores diámetros y longitudes serán mayores que en roca más duras. 3.5.2.-

Sistemas del Método Raise-Borer Este método de construcción

puede operar

utilizando

los siguientes sistemas:

a) Perforación del tiro piloto desde un nivel a otro y posterior escareado, en retroceso. b) Perforación tipo "box hole", en el cual el elemento escareador está com'puesto por un tricono adosado a una base de cortadotes. La operación se realiza en forma ascendente perforando piloto

y escareando a la vez.

. c) Perforación de piloto en forma ascendente y posterior escariado de la misma manera. En general el sistema mencionado en a) es el más utilizado en la construcción de chimeneas. En la figura a continuación se muestra el método convencional de construcción de chimeneas usando un equipo Raise Borer. Construcción de chimenea con un equipo ETAPA 1: CONSTRUCClON

PERFORAClON PILOTO

Raise Borer.

ETAPA 2: ESCAREADO EN ASCENSO

PERFORADORA

BARRAS DE PERFORACION

CUTTER

TRICONO

ROCA QUEBRADA


Ó

CORTADORES

Esquema de operación de un equipo Raise Borer en un sistema convencional

Etapa 1: Trabajando en superficie o interior de la mina, el equipo de perfora el tiro piloto con un tricono que será

de 10" a 12 ¡ / 4 "

Etapa 2: Una vez finalizado el tiro piloto, se coloca el escareador en lugar del tricono. Etapa 3: Se realiza el escareado del tiro piloto a la sección final de la chimenea, en ascenso.

CHIMENEAS- 1 29

3.5.3.- Composición del Equipo. El equipo Raise-Borer está compuesto

principalmente

por:

* Unidad de fuerza. * Equipode perforación. * Elementosde perforación. * Bombas de agua. * Unidad de ventilación. Cada equipo tendrá sus propias características dependiendo de la autonomía del mismo. 3.5.4.-

Elementos de Perforación.

Triconos: Consiste en tres conos con insertos de botón y que perforan normalmente pilotos de 9" a 12". Estabilizadores: Su función es guiar al tricono evitando el movimiento lateral o "pandeo" de las barras en el extremo: Sub Adaptador: Un el escariador al elemento estabilizador, constituye la parte más débil de la columna de perforación y funciona como un elemento de o'protección en caso de atascarse el escareado y asi poder recuperar toda la columna de barras. Escariador: Elemento donde su ubican los cortadores y su diámetros de operación la sección de la labor a construir. Barras: Son elementos de acero acoplables entre sí y que darán el largo de la perforación.

Porej: barras de 0 = 10", longitudvariable de 1,50 02,00 mt.y un peso aproximado de 140 a 180 kg. cada una.

130 -CONSTRUCClON DE TUNELES, PIQUES y

CHIMENEAS

Esquema de la perforadora

de un equipo Raise Borer.

De: Catálogo Raise Borer Modelo RD-2000 Master Drilling ( PTY) LId.

CHIMENEAS - 1 31

3.5.5.- Ventajas y desventajas del Método.

Ventajas: * Método altamente seguro. Se pueden realizar labores de gran longitud que con otro método resultaría muy riesgoso. * No hay daño en la roca circundante. * Muy buena productividad, medida en hombres-día por metro de avance. Desventajas: * Se requiere alta especialización del personal en la operación y mantención del equipo. * Requiere de infraestructuras previas, tales como: estación de perforación, tendidos eléctricos, estanques, etc. antes de iniciar las labores de perforación. * No se puede modificar el rumbo e inclinación de la chimenea, una vez iniciada. * Se requiere un tiempo en traslados y montajes antes de iniciar la construcción de la chimenea. * Es necesario preparar la estación del equipo realizando un desquinche hacia el techo de la galería, para formar una pequeña caverna donde pueda operar. El equipo requiere una altura de unos 4,0 a 5,5 metros en un area de 3,0 metros de ancho y unos 4,0 metros de largo, dependiendo del modelo a utilizar. * Se requerirá construir la plataforma de apoyo del equipo que será de hormigón tipo H-25 de 2,0 * 2,0 mt. y un espesor de 0,20 mt. * Es un equipo costoso, de alta inversión, por lo que es conveniente su adquisición con un soporte de metros de chimeneas a construir, con el fin de ir amortizando la inversión.

-, Excavación de chimenea con equipo Raise Borer. a) Excavación ascendente sin escareador

b) Excavación ascendente con escareador

piloto

piloto. F.$TNJ IL'ZAtiXlES

132

- CONSTRUCCION


Esquema de operación utilizando el sistema Boxhole

""

Etapa 1: La máquina perforadora es ubicada interior mina y se perfora con un tricono un tiro piloto de 1O" a 12 1/ 4 ", en forma ascendente. Etapa 2: El escareador es colocado en lugar del tricono.

Etapa 3: El escareador avanza en forma ascendente triturando la roca, formando la sección deseada. El material triturado o detritus, cae al nivel inferior de donde es removido.

CHIMENEAS- 133

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Excavación

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descendente.

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Excavación de pozo ciego.

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1

3.6.- Construcción de chimeneas utilizando Jaula Jora.

3.6.1.- Definiciones. Consiste en el método de construcción de chimenea, usando una plataforma colgada por medio de un cable de acero, el cual pasa a través de un sondaje, que pasa por el centro de la chimenea a construir, previamente ejecutado. La plataforma es alzada y bajada por medio de huinches eléctricos de baja velocidad y gran tracción. Lavelocidad de estos huinches están en un rango de 20 a 40 pies/mino Eldiámetro de la perforación central es de 110 a 150 mm y la sección máxima de la chimenea a construir normalmente no pasa de 6,25 m2. El personal realiza las labores mineras usando la Jaula Joro como superficie de trabajo. El cable del huinche de tracción deberá ser diseñado siguiendo las mismas pautas indicadas en el capítulo Construcción de Piques. Para todos los efectos utilizaremos un coeficiente de seguridad de 7 en los diseños de las resistencias del cable a utilizar.

Esquema de la construcción de chimenea con Jaula Jora.

De : App/ied Exp/osives Techn%gy for Construction ond Mining, by Stig O/ofsson

CHIMENEAS- 1 35

3.6.2.- Antecedentes de Operación. La plataforma colgada, sirve como superficie de trabajo al minero que perfora, por lo que es necesario mantener entre, plataforma y techo de unos 2 mts. para perforar con comodidad. La plataf6rma, al momento de iniciarse la perforación, debe estar firmemente anclada a la pared de la chimenea, para evitar movimientos laterales. El diseño del diagrama de disparos, es similar al del método convencional. Laautonomía del método es de alrededor de 60 mt., sobre esa altura no es recomendable, por seguridad del personal que labora. 3.6.3.- Vigencia del Método. Al desarrollarse nuevas técnicas de construcción de chimeneas, este método no es usado, en las faenas mineras de Chile, principalmente por su baja productividad medida en hombres-día por metro de avance y los problemas de seguridad inherentes del método.

136

- CONSTRUCCION DETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

-~

4. SISTEMASDE FORTIFICACION

137 ---

---~

138

4.- FORTIFICACION. 4.1.- Introducción. Entodas~as excavaciones que proyectemos, ya sean, túneles, desquinches de galerías, chimeneas, cavernas, piques, uno de los temas muy importante en nuestros diseños es conocer que tipo de roca se va a excavar. El conocimiento que tengamos de las características geomecánicas de la roca, nos permitirá visualizar la necesidad de soportarla o sostenerla, una vez que la excavación se haya realizado. Todo macizo rocoso tiene una tensión interna estable, es decir las fuerzas que interactúan al interior de la roca, se anulan, lo que provoca que el macizo rocoso este estable y sin desplazamientos. Al abrir una excavación, las condiciones de estabilidad iniciales del macizo rocoso, son alteradas y la masa tiende a desplazarse hasta encontrar su punto de equilibrio. la situación anterior se debe a:

*

Algún punto sobre el borde libre de la excavación no tiene fuerza actuando sobre él.

*

El disparo ha destrozado o al menos quebrado la roca alrededor del túnel. Cuando la roca está quebrada o resentida, el punto en equilibrio estable está dentro de la roca.

*

la roca en ese punto se autosostiene.

la roca desde esta línea de puntos estables alrededor del túnel o excavación y hasta el borde de ella está inestable o suelta, y este "anillo"'es el que requiere sostenimiento.

4.2.- Factoresque afectan la estabilidad de una excavación. a) Magnitud y dirección del esfuerzo insitu a la cual la excavación estará sometida. b) Interacción entre galerías adyacentes. la presencia de galerías cercanas y adyacentes influirán en la estabilidad general de la zona al tener espacios abiertos con diferentes magnitudes y direcciones actuando. c) Propiedades físico - mecánicas de los diferentes tipos de rocas en las que está emplazada la excavación. las rocas tienen diferentes comportamiento ante los esfuerzos exteriores a que están sometidas, tienen diferentes resistencias a: la compresión, a los esfuerzos de cizalle y en general diferentes comportamiento geomecánicos. d) Geología estructural del sector. El tipo y características de las estructuras geológicas predominantes en el sector influirá en la estabilidad de la excavación. Así un sector con mayor cantidad de fracturas, será más inestable que otro sector en que la presencia de planos de debilidad es menor. e) Presencia de aguas subterrán~as. la presencia de aguas de infiltración de la napa freática, puede provocar el"lavado" del material que cementa las diferentes estructuras, creando zonas de debilidad, afectando la estabilidad de la excavación. f) Método y calidad de la excavación. El uso de técnicas de tronadura amortiguada, contribuirá a una mayor estabilidad de la excavación. El uso de explosivos con baja velocidad de detonación, en la tronadura del contorno de la excavación, ayudará a conseguir excavaciones más estables.

FORTIFICAClON - 139

g) Tipo de sostenimientoutilizado. La adecuada elección del tipo de sostenimiento a utilizar en una excavación estabilizará la excavación. h) Forma y tamaño de la excavación. Las dim~siones y la forma de la excavación inHuirán en su propia estabilidad. Así excavaciones con una medida del ancho excesivamente mayor al alto de la misma, por su forma, presentará inestabilidad en el techo, el que será necesario reforzar con sostenimientos. 4.3.- Monitoreo. Las acciones de monitoreo son esenciales en una excavación subterránea para controlar su estabilidad y aprovechar la información colectada para diseñar los sistemas de sostenimientos adecuados para la excavación. El monitorero puede ser realizado por:

* Inspección visual de los elementos de sostenimiento, * Inspección visual del macizo rocoso alrededor de la excavación. * Instalación

de instrumentación

que mida

durante

y

después de la excavación.

del elemento de sostenimiento,

desplazamientos,

antes,

durante

durante

y después

y después de la

excavación.

Antesde la Excavación:Para colectar información requerida para diseñar el sistema de sostenimientos. Esta información se refiere a mediciones de módulos de deformación de la masa y los esfuerzos a que la roca está sometida. Durante la Excavación:Para confirmar los diseños adoptados, realizar las correcciones y llegar a soluciones seguras y económicas.

Despuésde la Excavación: Para chequear el comportamiento de la excavación durante las operaciones en aplicaciones civiles y mineras. 4.3.1.- Mediciones de los Esfuerzosdel Macizo Rocoso. Uno de los más importantes criterios de diseño para el sostenimiento de excavaciones es el conocimiento de las condiciones de esfuerzos a que está sometido el macizo rocoso. La información más relevante que para determinar la estabilidad de una excavación será: * La dirección de los esfuerzos principales * La relación entre las direcciones principales de los esfuerzos * La magnitud de los esfuerzos

Existe métodos e instrumentación dimensiones.

que a partir de una perforación

Uno de los métodos más utitizados

de celdas con sensores que son colocados de impedancia

El método,

que se producen en forma

muy general,

es el CSIRO Hollow Inclusion que mide deformaciones

en una perforación,

al sobre perforar consta

podemos medir los esfuerzos en las tres

el barreno

y que eléctricamente

a través

es posible medir los cambios

original.

de las siguientes

etapas:

a)Realizar una perforación de 0 = 6/1de largo equivalente a 3 veces el diámetro (ancho) del túnel, medido desde su punto centro.

140

-


bl A partirdel fondo, realizar una perforación de 0 = 38 mmsde unos 70 cms de largo. cl Colocar dentro del barreno de 38 mms., una celda que tiene unos 5 a 8 sensores. Esteconjunto es fijado con una resina epóxica especial. dI Sobre perforar los 70 cm finales a un diámetro de 6/1cm una corona diamantada. el Medir los cambios de impedancia que se producen cuando se sobreperfora a 6/1y registrar los datos obtenidos en la instrumentación exterior al barreno, determinando las deformaciones que se producen. 4.3.2.- Mediciones de Aguas Subterráneas. Este es un importante problema práctico en las excavaciones subterráneas. La masa rocosa puede ser severamente afectada por la presencia de excesivas cantidades de aguas subterráneas. Algunos problemas de aguas subterráneas son particularmente difíciles de cuantificar con algún grado de precisión. Pero existen los equipos y la instrumentación para realizar mediciones de caudales,

a diferentes

niveles dentro de una perforación. 4.4.-

Conceptos de Rigidez y Cedencia. En el pasado,

en forma empírica.

la práctica de definir un sistema de sostenimiento Es decir se probaba

más robusto. Se trabajaba

para una excavación,

un cierto tipo de sostenimiento

con el sistema prueba-error

y si no funcionaba

se desarrollaba se cambiaba

solo a uno

y ajuste a nuevas condiciones.

El primer sistema fue instalar soportes fuertes y rígidos, por ejemplo marcos metálicos y concreto armado. Estos sistemas solo actuaban

como soportado res pero no eran efectivos en condiciones

que se requería que el elemento soportante traba el macizo rocoso.

se deformará

o absorbiera

de esfuerzos mayores en

los esfuerzos adicionales

que les suminis-

Por otra parte hablaremos de cadencia cuando el sistema de fortificación o elemento es capaz de alcanzar características de deformación

semejantes

a la que experimenta

la roca, ya sea bajo cargas

estáticas o dinámicas.

4.5.- FortificaciónActiva y Pasiva. FortificaciónActiva. Corresponde internamente

al sistema de fortificación, sus característica estructurales.

que permite que el macizo rocoso sea autosoportante

modificando

Fortificación Pasiva. Es aquel sistema de sostenimiento, que solo soporta masa rocosa que se puede desprender, sin hacer interactuar al macizo rocoso para que pueda alcanzar una condición autosoportante.

FORTIFICACION - 141

4.6.- Clasificación de los Sistemas de Fortificación.

I

SISTEMASDE FORTlFICACION Pernos con lechada de cemento Rígidos

Fortificación Activa

Split set Swellex Pernos de anclaje mecánico Pernos con resina

Cedentes

Rígidos Fortificación Pasiva

Cables tensados Cables con lechada de cemento

Marcos metálicos Marcos de madera Shotcrete Marco alemán Mallas metálicas

Cedentes

Postes hidráulicos Shotcrete con malla Strap

142

- CONSTRUCClON DETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

4.7.- Comportamiento de una excavación. Antes de abrir un túnel, chimenea, pique o cualquier excavación, la roca se presenta confinada, sometida a una serie de presiones primarias, equilibradas, provenientes de la fuerza de gravedad y el tectonismo. Al excavarse, la roca, tiende a ceder o "caerse" ante las elevadas presiones tangenciales, que aparecen en el borde y que solo ofrecen resistencia gracias a: * Frotamiento a lo largo de una o varias direcciones privilegiadas, conforme a la existencia de ángulos de fricción interno. * Cohesión según otras direcciones,debido a la trabazón posicional de los bloques del macizo rocoso. Así, distinguiremos la siguientes zonas en una excavación:

e A:

Zona descomprimida

B:

Zona de presión

C:

Zona no influenciada

El sostenimiento que diseñemos apuntará a crear condiciones de equilibrio para las zona A y B

FORTIFICAClON- 143

4.8.- Tipos de Fortificación. 4.8.1.- Pernos de anclaje. Existen diferentes tipos de pernos de anclaje que se usan como sistema de fortificación. En genera/las variaciones de diseño son menores y básicamente son variedades del mismo concepto de sostenimiento. Revisando los diferentes tipos de pernos de anclajes podemos realizar el siguiente ordenamiento según el tipo de anclaje usado: * *

Pernos de Anclaje Mecánico Pernos con lechada de Cemento

*

Pernos con Resina Epóxica Cables con lechada de Cemento

*

Pernos con Anclaje de Fricción

*

4.8.2.- Pernos de anclaje mecánico. los pernos de anclaje con cabeza de expansión o casquillo de expansión, son los más comúnmente usado en aplicaciones mineras o civiles. Una cuña ranurada que el perno lleva en su extremo, por diseño, es tirada dentro del casquillo cónico de expansión a medida que el perno es rotado. Estohace que el casquillo, al expandirse se "apriete" contra la pared de la perforación, produciendo el anclaje del perno. Para aplicaciones en sistemas de sostenimiento definitivo, el espacio entre el perno y la perforación puede ser relleno con lechada de cemento o resina. los pernos de anclaje mecánico, han sido diseñados para ser usados en rocas medianamente duras a rocas duras. No son recomendadas para rocas muy duras, ya que esta condición de roca impediría la expansión del casquillo, que se aprisiona a la roca, y el anclaje se soltaría bajo las cargas del terreno.

Perno de Anclaje Mecánico

De Rock Bolting Handbook by B. Stillborg.


Antecedentes

de diseño

70 kp/mm2 16 mm

Calidad del acero del perno Diámetro del perno Resistencia a la cedencia Resistencia a la ruptura

14 ton. 18 ton.

Peso del perno sin planchuela y tuerca

2 kg / mt

Largo del perno

sin restricciones

Diámetro de perforación

35-38 mm

Tipo de perno

Acero liso.

Sistema de anclaje del perno mecánico.

CABEZA DE EXPANSION I 1.~-

I! ,1---

De Rock Bolting Handbook

PERNO

by B. Stillborg.

Aplicar tensión a los pernos de .anclaje es importante para asegurarse que todo el elemento está en contacto y además que se le está aplicando una fuerza positiva a la roca. En el caso de condiciones menores de seguridad de funcionamiento de los pernos, la aplicación de tensión no es crítica, y su aplicación puede ser realizada con llaves de torque convencional o con llaves de torque neumáticas. Cuando los pernos requieren una carga significativa se recomienda generalmente aplicar una tensión equivalente a un 70% de la capacidad del perno, inicialmente. Este suministro de tensión, nos proporciona márgenes de seguridad¡ en el caso que el perno estésoportando cargas adicionales, inducidas por desplazamientos de la masa rocosa.

FORTIFICACION- 145

Aplicación de tensión en la colocación de un perno de anclaje mecánico.

Ventajas: * Son de costo relativamente bajo .

*

sostenimiento. *

El perno de anclaje mecánico, entrega inmediatamente después de ser instalado, la acción de .

Con la acción de rotar el perno, la tensiónse entrega en la cabeza del perno, en contactocon el

macizo rocoso, repartiendo la tensión en todo el perno. *

Aplicando algún tipo de relleno, después de aplicar la tensión al perno, puede servir como

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

146

- CONSTRUCCION


Desventajas: * Su uso está limitado a rocas medianamente duras a duras. *

Debe ser monitoreado y chequeado para verificar si las condicionesde tensión aplicadas se

mantienen en el tiempo. *

Pierde su capacidad de sostenimientocomo resultado de las vibraciones de las tronaduras o

cuando la roca se deteriora alrededor del collar de la perforación producto de alto esfuerzos de la roca. 4.8.3.-

Pernos con lechada de cemento. Los pernos con lechada de cemento han sido usados tanto en aplicaciones de ingeniería de minas como civiles. Normalmente

se usa un perno de acero estirado,

para y el espacio anular entre la perforación

Si 0

el cual puede ser terminado

y dosificación variable.

Diámetro de perforación

1

0

de longitudes variables,

Diámetro del perno Largo de perforación

2

L

VI

Volumen a ocupar por la lechada de cemento

entonces: V=n*(((P-I(J2)*L I

1

2

p

/4

Perno con lechada de cemento


FORTIFICAClON- 1 47

Antecedentes de diseño típico Calidad del acero

110 kp/mm2 20mm. 28 ton. 34 ton.

Diámetro del perno Resistencia a la Resistencia a la ruptura Peso del perno Largo del Perno Diámetro de perforación

sin restricciones 35-38 mm.

Tipo de perno

Acero con estrías profundas

Características

2,6 kg./ mt.

de la lec hada de cemento.

Lacalidad de la mezcla agua/cemento más adecuada para ser usado, ha sido definida, estudiando las variaciones que se producen en el esfuerzo de comprensión 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 significativa mente superiores que con otros dosificaciones. En todo caso razones de agua/cemento superiores o 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. El gráfico a continuacióo nos muestra una aproximación de esta operación, usando equipos convencionales. '" Tiempo Bombeo (seg)

10 8

6

4 2

/ o

0,25

0,35

0,45

0,55

Razón agua/cemento Ventajas:

.

.

* Es un sistema de sostenimiento competente de alta duración. * 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.

Desventajas: * Es un sistema de alto costo. * El uso de cemento standard requiere algunos días antes que el perno pueda tomar carga.

148


* La calidad de la mezcla agua/cemento es difícil de chequear y mantener constante. 4.8.4.- Pernos con Resina Epóxica. Los pernos de anclaje rellenos con resina, son usados principalmente en sistema en que el perno debe ser terminado. 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 tipo cartucho de resina esta compuesto por dos elementos separados en compartimentos diferentes en los cuales el comportamiento exterior contiene la resina y el interior el elemento catalizador.

Perno con relleno de resina epóxica

,.~.(~,~"'Y-

FIERROESTRIADO

TUERCA

De Rock Bolting Handbook by B. Stillborg

. El procedimiento de colocación del anclaje de resina es el siguiente: * Los cartuchos de resina son empujados dentro de la perforación. * El perno de anclaje es rotado dentro de la perforación, rompiendo el plástico envoltorio del cartucho, provocando la mezcla de los componentes. * El fraguado de la resina ocurre a los pocos minutos dependiendo de las características de la resina epóxica, produciendo un fuerte anclaje del perno a la roca a través de la resina.

FORTIFICAClON- 149

. Mecanismo de colocación del perno con resina

-.

"LECHADA" DE RESINA DE FRAGUADO LENTO

RESINA MEZCLADA CON ENDURECEDOR

/


Antecedentes de diseño típico. Calidad del acero Resistencia a la cedencia

58 kp/ mm2 20mm 12 ton.

Resistencia a la ruptura

18 ton.

0 del perno

Peso del perno

2,6 kg./ mt.

Largo del perno

sin restricciones

0 de perforación Tipo de perno

150 . CONSTRUCCION

. .

35 a 38 mm. Acero con estrías medias.


Ventajas del perno con resina: * El perno entrega rápidamente la acción de sostenimiento. * 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. Desventajas del perno con resina: Influencia de las condiciones ambientales subterráneas propias de una actividad minera pueden afectar las características químicas de la resina. La resina tiene una vida útil limitada dependiendo de las condiciones ambientales que se tengan.

Elsistema de perno

de anclaje con resina es de alto costo.

4.8.5.- Pernos cables con lechada de cemento. Los pernos cables corresponden a elementos de acero formados por cables flexibles lisos, trenzados o destrenzados en tamos que actúan en muy buena forma para condiciones de grandes bloques inestables. El uso de estos pernos cables de sostenimiento, no tensionados, ha crecido rápidamente en los trabajos mineros y su utilización es normalmente rellenado la perforación con lechada de cemento. En estas condiciones queda como un refuerzo de larga duración.

Cable con lechada de cemento

De Rock Bolting Handbook by B. Stillbo'lJ.

Existen diferentes tipos y diseños de cables de fortificación, y su resistencia a la tracción va a depender de las características especiales de cada uno.

FORTIFICACION- 1 51

Podemos indicar

algunos de diferentes

características

Diámetro

Cable

de construcción:

Tipo de consto

(plg)

Peso

Resist. a la trac.

kg/ mt

(tons)

270

0,60

1x7

1,10

26,5

7/8

0,87

1 x55

1,28

32,5

arado mejorado

1,00

1 x 55

2,47

44,7

arado mejorado

0,75

6x36

1,57

22,5

Como regla general podemos señalar que para evitar deslizamiento de un bloque se puede usar la siguiente relación de seguridad. Resistencia del cable a tracción

ES.

>

~

Fuerza del bloque

1,5 - 2, O

Ventajas de los cables Ie(hados: * Son de bajo costo. * Correctamente instalados se transforma en un sistema de sostenimiento competente y duradero. * Pueden instalarse cualquier longitud de cables en sectores de espacios reducidos. * El sistema asegura altas resistencia de los cables instalados, en diversas condiciones de roca. * Actuando como soportes permanente, tienen alta resistencia a la corrosión. Desventajas: * Normalmente no se usan tensionados. * El uso de cemento común en la lechada de relleno, necesita de varios días antes que el cable pueda empezar a sufrir cargas del terreno. En el cuadro a continuación, se muestra el desarrollo de los diferentes tipos de cables.

152

- CONSTRUCCIONDETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

Desarrollo de los diferentes tipos de cables para fortificación.

I

LONGITUDlNALSECTION

TYPE

I

Multiwire te!ldon

;

(Clifford, 1974)

Birdcaged Multiwire tendon

I

(]irovec, 1978)

Single Strand (Hunt

& Askew,

-=-----

(VSL Systems, 1982) (Dorsten el al., 1984)

:==-= ~

~

~~~"~,=:;;;J

~i;~a~rioa~~r

(Mauhews et al ., 1986 ) Birdcaged Strand

(Hutchins et al., 1990)

@

000

Node

Indented

e@@

Coated

@

p

8= ,:E§f:~\

I ~... .¡.:.:.;.:..:....".~:. """"

(Garford, 1990)

~..:., ,;"" "':':"':" ";,,,

...<"""",.

71

~

~~ §

(".."""

~

~

Ferruled Strand

~--~,

~~

Circular

Square

I :~:~~:.~:~::.~~:':::::::'~::::.:::~.:.'::::~:;:.::~~::::~,.:.~:~::,~:;:..~:~.~,::.::.::;:;:.;t;

::;1jJr~: ."

:..

Encapsulated

@)

Wedge

~

Drawn

2 Component Wedge

3 Component

Acting Twin Anchor

~

Bulbed Strand

(Windsor, 1990)

@

Sheathed

Swaged Anchor on Strand .

00 o

@@@

Barrel and Wedge Anchor on Strand

(Schmuck, 1979)

@

Normal

(Mauhewset al., 1983)I Double

00

Antinode

1977)

Coated Single Strand

CROSSSECTION

Steeltube Concrete

o o o o o o o

.

Antinode

Node

o o 00 o o o

@

Antinode

Node

$

@

Antinode

Node


FORTIFICAClON- 1 53

4.8.6.- Pernosconanclajede fricción. Lospernoscon anclaje de fricción representanel más recientedesarrollo en las técnicasde sostenimientosde roca. Los dos tipos de pernos de fricción son. El perno split set y el perno swellex. En general en este tipo de pernos la resistencia a deslizar del perno en la roca, se produce por fuerzas radiales, opuestas a la pared de la perforación. Perno Split Set El estabilizador de roca split set consiste en: Tubo compresible ranurado longitudinalmente, ahusado en un extremo para facilitar la penetración en el barreno, y una planchuela de sujeción que va inserta en el extremo 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.

Estabilizador Split Set

El perno split set, 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. Diseño típico del perno split set: Diámetro del tubo

39 mm.

Resistencia a la cedencia

9 ton.


10 - 12 ton.

Peso aproximado

1,8 kg./mt

Largos comunes

0,80 a 3,00 mt. 35 a 38 mm.

0 perforación recomendado

154


Ventajas: * Instalación muy simple. * Entrega inmediatamente acción de soportamiento * Cede y mantiene plena sujeción. * El pleno contacto alrededor de la perforación 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.

Desventajas: * Eldiámetrode perforaciónesmuyimportantepara lograr uncorrectofuncionamientodel sistema. * A menosde usar aceros galvanizados en la fabricación de los pernos, no se pueden usar por largo tiempo, por problemasde corrosión. Pernos Swellex El perno swellexcorrespondea un tubo que ha sido previamentedeformado, hastallegar a un diámetro de 28 mm. El tubo está cerrado en susdos extremos,mediante un manguito soldado, teniendo en uno de ellos un orificio por donde seinyectaagua a presión,q\Jeexpandeel tubo previamenteplegado, provocandoel contacto con la pared de la perforación.

Perno de Fricción Swellex

~ ~

25 A 28 MM. DEDlAMETRO )EL

TUBO

APlASTADO

~

,~

~

~---~.-M~

DE DIAMETRO 33A39MM.

De Rock Bolting Handbook by B.Stilborg.

FORTIFICAClON- 1 55

Diseño típico del perno swellex.

0 del tubo deformado

28 mm.

Resistencia a la cedencia

14 ton.


14 ton.

Peso aproximado

2 kg./ mt. sin restricciones

Longitud 0 perforación

35 a 38 mm.

recomendado

Ventajas: * Simple y rápida instalación * Entrega la acción de sostenimiento inmediatamente después de ser instalado. * Puede ser usado en diferentes condiciones de tipo de roca.

4.8.7.- Testde Stillborg Stillborg en 1994 realizó pruebas de deformación, para diferentes tipos de pernos de anclaje, usando dos bloques, que simulaban condiciones de terreno. La perforación de los barrenos se realizó con máquinas perforadoras rotopercutivas y los pernos fueron instalados asemejando las condiciones reales. Lospernos de anclaje fueron chequeados aplicando fuerza en los bloques y midiendo el desplazamiento que se producía en la juntura ficticia de ambos bloques. En el gráfico siguiente se muestra los resultados de estos experimentos.

Pruebasde Stillborgpara Pernosde Anclaje

26 24 22 20

16

Cement grouted 20 mm diameter steel rebar

-g o 14 .....

12

lo [50 nun

10

Expansion sheil anchored [7.3 nun diameter ,tee[ rockbolt

lo [50 mm

1»pe SS 39 Split Sel 'labUiser

o

o

10

15

20

25 Deformatlon



30

- nun

35

40

45

50

55

60

É

4.8.8.- Hormigón Proyectado. El uso de hormigón proyectado o shotcrete, como sistema de sostenimiento es conocido desde hace unos 80 años aproximadamente. El shotcrete es aplicado en excavaciones subterráneas tales como túneles, rampas, galerías de transporte principal, estaciones de chancado, estaciones de huinches, como un sistema de sostenimiento permanente. Método del hormigón proyectado o shotcrete. La tecnología del shotcrete consiste en/formar una mezcla de cemento, arena y agregados finos, más algún porcentaje de agua, el cual es lanzado a alta velocidad contra la superficie que queremos sostener, produciendo una compactación dinámica de la mezcla en la pared. Existen dos formas de aplicación: a) Shotcrete por mezcla seca. En este caso la mezcla es preparada antE)s~eJa perforación, es cargada al equipo de proyección, manteniendo una continua agitación y el ag-~a es-agregada a la salida de la boquilla cuando la mezcla es lanzada contra la superficie a sostener.

Shotcrete por mezcla seca.

AIRECOMPRIMIDO INYECCIONDEAGUA

'<

_':--':1:).1'

;.< J! '"

1;J AIRECOMPRIMIDO

"

De Excavaciones Subterráneas en

Rocade por E.Hoek y E.T.Brown.

FORTIFICACION- 1 57

b) Shotcrete por vía húmeda. En este caso la mezcla completa es preparada, incluyendo la cantidad de agua, antes de ser proyectado. la bomba de proyección libera esta mezcla hidráulica hacia la boquilla de lanzamiento donde se adiciona el aire comprimido, para proyectar la mezcla a la superficie a sostener.

Shotcrete Húmedo

MEZCLABOMBEADO

De Excavaciones Subterráneas en Roca de por E.Hoek y E.I Brown.

4.8.8.1.-

Dosificóción del Hormigón Proyectado.

El diseño de dosificaciones para hormigón proyectado, se basa normalmente en la resistencia a la compresión especificada.

En aplicaciones

especiales, pueden requerirse propiedades

impermeabilidad o durabilidad.

158

- CONSTRUCCIONDETUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

diferentes tales como

Existen dos aproximaciones distintas para especificar una dosificación: * Por comportamiento: se especifica la calidad requerida y el constructor decide como cumplir con ella. * Por prescripción: se indica la calidad de las materias primas y su proporción enmasa.

Una mezcla tipo de hormigón proyectado es: Cemento Agregados gruesos Arena

15 - 30% 30 - 40% 40 - 50%

Por ejemplo si queremos preparar una mezcla que tenga una resistencia a la compresión de 250 kgs/ cm2 a los 28 días, podemos indicar las siguientes cantidades.

250 kgs/cm2 2.320 kgs/m3 385 kgs/m3 0,4

Resistencia a la Compresión Densidad del hormigón en día Contenido de cemento Razón agua/cemento Dosis de agua

154 kgs/ m3

3%

Acelerante respecto al cemento Dosis de acelerante Contenido de áridos

11,6 kgs/m3 1.769 kgs/m3

En general las cantidades de agua, deberán ser ajustadas en la operación. No se ha desarrollado un método preciso para dosificar mezclar secas, por lo que es fundamentalapoyarse en experiencias anteriores o en su efecto, efectuar pruebas previas a la colocaciónpara determinar proporciones optimas.

4.8.8.2.- Colocacióndel HormigónProyectado. La calidad final del sostenimiento de hormigón proyectado, dependerá de la forma de aplicación que se haya efectuado. Este procedimiento incluye: *

Preparación de la superficie

* *

Lavado con agua a presión Técnica del lanzado

*

Ventilacióndel sector

*

Entrenamiento de la cuadrilla "

El hormigón proyectado no debe ser lanzado a una superficie rocosa seca, polvorienta o congelada. Es J1ecesario antes de 'a aplicación lavar la superficie con agua a presión para remover el polvo y partículas que hayan quedado adheridas a la pared rocosa. La distancia de lanzamiento entre la pared y la boquilla deberá ser a lo más 1,5 mts. Y el lanzamiento deberá ser realizado por medio de movimientos circulares, para lograr una mejor adherencia y menor rechazo de material.

FORTIFICACION- 159

El entrenamiento del operador es vital para un hormigón proyectado de buena calidad. El rechazo normal en una operación de colocación es de un 10% a 25% al proyectar mezclas húmedas y de un 20% a 40% en mezclas secas.

4.8.8.3.- Barbacanas. Para producir el drenaje guiado de las aguas del macizo rocoso, normalmente se realizan perforaciones de unos 30 cm., en la roca que ha sido sostenida con hormigón proyectado, instalando unos tubos plásticos llamados barbacanas que permitirán el drenaje de las aguas interiores.

Barbacanas

~

'@'

~

~

,," ..

'"

-

iI~_~

4.8.8.4.- Aditivos para Hormigón Proyectado. los aditivos son substancias que se agregan a morteros y hormigones para modificar una o varias propiedadesde la mezcla. a} Acelerantes.

Son aditivos que apuran el fraguado de la mezcla, y que permiten disminuir el rechazo, evitar desprendimientos o deslizamientos de la mezcla en la pared, facilita la aplicación rápida de capas sucesivas y

160

- CONSTRUCClON


son particularmente adecuados para las aplicaciones sobre superficies húmedas o con filtraciones. El incremento de resistencia, permite la puesta en servicio del sostenimiento entre 6 y 12 horas después de colocado. Normalmente, su dosificación es una proporción de la cantidad de cemento. Su dosificación normal es de un 2% a un 5% de la dosis de cemento de la mezcla. b) Plastifieantes. Permiten reducir la cantidad de agua requerida para la mezcla, sin disminuir la operatibilidad de la misma, es decir se reduce la razón agua-cemento, aumentando la resistencia mecánica. Estos aditivos influyen en numerosas propiedades de la mezcla: Enestado fresco mejoran la docilidad, se facilita el mezclado, se obtiene mejor homogeneidad, disminuyendo la segregación y la exudación. e) Aditivos en base a mierosíliee. La microsílice es una puzolana artificial, subproducto de la industria del silicio o fenosiliceo. Por el hecho de ser puzolan<;Jreacciona con el hidróxido de calcio del cemento, formando compuestos estables y resistentes. Laadiciónde microsílicea la mezclagenera una fuertecohesióny una reducida exudación.Al mismotiempoy tiene

un alta demanda de agua, por lo que la microsílicedebe emplearse en conjuntocon un aditivo plastificante.

Hidrataeión del Cemento

De catálogo,

Hormigón

Proyectado

de Sika S.A.

FORTIFICAClON

- 16 1

4.8.8.5.-

Equipos.

A través.del tiempo se han desarrollado diferentes tipos de equipos para proyección de hormigón, de acuerdo con la siguiente secuencia. * Sistema de doble cámara, de Akeley en 1907 * Sistema de tornillo, de Senn, en 1945 * Sistema de rotor, en Holanda en 1929, retomado en E.E.U.U. en 1957. * Sistemas de vía húmeda en E.E.U.U. y Europa

En todo caso para todo proyecto, la elección del equipo a utilizar dependerá del tipo y magnitud de las obras a

realizar, las condicionesde terreno, el plazo de ejecucióny la disponibilidad de materialesy mano de obra. Maquinas par Vía Seca Son equipos que se cargan con la mezcla sin agua, la que se agrega posteriormente en la boquilla de proyección. En la actualidad se utilizan principalmente, maquinas a rotor. En las maquinas de rotor, o alimentación continua, la mezcla se vacía a una tolva de donde desciende por gravedad haciaun orificio de carga. El rotor esta provisto de cámaras cilíndricas, las que al girar, pasan una tras otra por el orificio de carga, lIenándose con la mezcla. Al continuar el giro se posesionan por un orificio de descarga, donde la mezcla, es empujada mediante aire comprimido hacia el cuello de salida, donde se adiciona más aire a presión para impulsar el material en la manguera. Las maquinas shotcreteras-que ofrece el mercado, tienen un rango medio de 4 a 6 m3/hora, de mezcla lanzada. La marca ALlVA es una de las más usada en este tipo de equipos.

Sistema de Rotar

Sistema

de Rotor:

1. Mezcla depositada en la tolva. 2. Cámara en posición de llenado 3. Rotar. 4. Cuello de salida. 5. Entrada de aire comprimido. 6. Conexión con la manguera de transporte. 7. Aire comprimido para impulsión.

t

De católogo,

Hormigón

Proyectado de Sika S.A

162 - CONSTRUCClON DETUNELES, PIQUESy CHIMENEAS

Máquinaspara Vía Húmeda Son equipos que cargan la mezcla completa, incluida el agua de amasado. En la boquilla se les adiciona aire a presión para alcanzar la velocidad de proyección, y el acelerante. Existen dos tipos: * Máquinas de alimentación neumática para flujo diluido * Máquinas de desplazamiento positivo para flujos densos.

Con estos equipos, deben tomarse las mismas medidas preventivas que en los equipos por vía seco es decir, velar por su manutención ya que mezclas húmeda"spueden formar adherencias o incrustaciones al interior del equipo. Finalmente podemos agregar que en grandes proyectos de túneles en que se requieren altos niveles de productividad y seguridad, se han desarrollado equipos de colocación del hormigón proyectado muy especializados. Consisten fundamentalmente en un brazo articulado, que cuenta con un sistema de control remoto, que permite al operador operar a distancia, desde una cabina o una zona ya consolidada protegida del'túnel, sin riesgos causados por el rechazo de hormigón o colapso de la excavación. Existen E;Jquipospara revestir túneles de 4 a 14 mts. de diámetro que consisten principalmente en brazos articulados, accionados a control remoto, por donde va la manguera de conducción de hormigón, posibilitando su colocación hasta la altura indicada anteriormente.

Sistema Articulado

De catálogo, Hormigón Proyectado de Sika S.A

FORTIFICAClON

- 1 63

4.8.9.- Mallas de Fortificación. Las mallas de fortificación son tejidos de alambre trefilado y galvanizado que se utiliza actuando en conjunto con los pernos de anclaje para retener pequeñas partículas de roca que pueden ceder y también como elemento estructural en conjunto con el hormigón proyectado. Las mallas son fabricadas en aceros los cuales pueden ser galvanizados, para ser utilizados en áreas en que existen agentes de corrosión:

Mallas

de Acero tipo

Su abertura

Bizcocho

es de forma

y

romboidal

corresponde

a la típica

malla

minera,

presentándose

en diferentes

Tipo

Malla (mm)

Alambre #

5008

50

8

4,80 3,10

Peso (kgs/m2)

5010

50

10

10010

100

10

1,60

10006

100

6

3,50

Resistencia del alambre 38 a 44 kgs/ mm2 Su abertura es de forma romboidal, cuyos lados son de dimensiones aproximadamente iguales. Sus características más relevantes son: * De fácil deformación. * Adaptable a cualquier superficie e irregularidades. * Fácil manejo. * Montaje simple. * Liviana.

",


tipos:

Malla tipo Bizcocho

Malla de Acero tipo ACMA Malla fabricada en acero trefilado con uniones electrosoldadas, su abertura es normalmente cuadrada y su uso es de preferencia formando parte como elemento estructural con hormigón proyectado. Existen diferentes tipos de Malla ACMA

Tipo (-139

Malla (mm) 100

(-196

100

(- 257

150

(-443

150

9,20

7,30 (1)

MA-3020

150

6,00

3,10 (2)

0 Alambre (mm)

Peso (kgs/m2)

4,20

2,18 (1)

5,00

3,08 (1)

7,00

4,11 (1)

FORTIFICACION- 1 65

Resistencia del Acero: 50 - 56 kgs/ mm2 Resistencia del Acero: 30

- 40

kgs/ mm2

(1) (2)

Malla tipo ACMA

166

- CONSTRUCCION DE TUNELES, PIQUES y

CHIMENEAS

4.8.10.- Marcos de Fortificación. 4.8.10.1.-lntroducción. En los comienzos la madera fue usada para la confección de estos elementos de fortificación, por su accesibilidad, buenas condiciones de flexibilidad, pero normalmente tenían una corta vida útil por el deterioro normal que sufre al estar expuesta a las condiciones ambientales subterráneas. ,

Con el pasar de los años, a comienzosde la década del 40 se inicióy desarrolló el marco metálico,

reemplazando paulatinamente la fortificación de madera, pues son más rápidos y sencillos en colocar y ceden en mucho menor grado, ya que no se deterioran fácilmente como la madera. Este tipo de sostenimiento se utiliza principalmente bajo condiciones, de alta inestabilidad, donde las presiones son demasiado altas para otro tipo de sostenimiento. 4.8. 10.2.-Descripción del Marco Metálico. El marco de acero está formado por dos o más piezas metálicas de sección H, 1,U. Su estructura puede seguir líneas rectas como la enmaderación o estar constituida por elementos curvos, siguiendo la forma de la excavación de la galería. La unión de las piezas se puede hacer por medio de placas metálicas soldadas a los extremos de las piezas del marco, las cuales son unidas por pernos. Las partes principales de un marco son:

2 pies derechos o postes verticaleso inclinados * 1 corona o viga (de 1, 2 o 3 piezas) *

En el caso de túneles construidos para acueductos, de sección circular, existen diseños de marcos metálicos completamente circulares formados por 4 piezas convexas que forman la sección deseada. En esta situación, de túneles con grandes presiones circulares, la ventaja radica en que su parte convexa se apoya sobre el terreno y no puede doblarse. 4.8.10.3.- Factores que favorecen la capacidad de carga.a) Losesfuerzos de flexión que afectan a una viga recta, producto de las tensiones externas que tienden a reducir la sección de la galería, son reducidos y transformados al interior del perfil en esfuerzos de compresión,. cuando se cuenta con una forma de arco. En este caso, se obtiene una gran capacidad de carga y el perfil resiste mucho ~ás los esfuerzos de flexión. Si la carga es continua y uniformemente distribuida, el esfuerzo de flexión se reduce significativamente, llegando a transformarse casi totalmente en esfuerzo de compresión, dando al soporte de acero una mayor capacidad de carga. b) Eldesarrollo de la tecnología de fabricación del marco de acero, como el templado en frío e incorporando manganeso, nos entrega con gran resistenciay capacidad de elongamientos elevados, lo que produce un incremento del rango de elasticidad del acero. Esto nos define que el elemento metálico es más resistentes, que épocas pasadas, a la flexión y tiene una mayor capacidad de carga.

FORTIFICAClON - 167

La Hgura siguiente muestra la resistencia límite para diferentes formas de marcos, fabricados con un perfil

31 ton/mt

93 ton/mt

H.

47 ton/mt

461 ton/mt

Como se puede a preciar la forma circular cerrada, es la que nos presenta las mejores condiciones de resistencia. Proctor y White en

1977, determinaron que el efecto de los esfuerzos sobre una corona, al cambiar el

espaciamiento entre los puntos de bloque es variable.

168 - CONSTRUCCION DETUNElES,PIQUESy CHIMENEAS

I I

~ \---~

~/\~!-l1 / Al ~ :

~(

I I I 1 1 I I I I

¡

~/

\

j~k.-I

Siendo E: Espacimiento entre puntos de bloqueo P : Esfuerzo sobre la corona tenemos que:

E(cms) 178

A

e

127 76

D

o

B

P (kgs/cm2) 2.199 1.616 1.246 996

De lo anterior se concluye. *

.

Mientras mayor es el número de puntos de contacto entre el marco y el macizo rocoso, mayor es

la distribución de fuerzas y menor el efecto sobre la corona, lo que implica que el marco resiste más. *

Si tenemos puntos de bloqueosespaciados el arco no solo trabaja por empuje axial, si no que

también por momento de pandeo.

FORTIFICACION - 169

En la figura siguiente se muestra un diseño típico de un marco de fortificación para un túnel.

Marco metálico de entibación.

E lEV/\CION MARCO M[1/\lICO ESC.I:50

""0

.~~

0---""-

--

0-

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I

.-,--

E

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'1

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+ J~

N M N

N ::J

,

_J80_u.

PlMICHUEl/\ DE UNlON MARCOS MET/\lICOS (modldo. on mm.1 3.50 m. m.._.__..-----

o-

',85~ 1.50 m

~ -i-_~{~

-_u.

f . .~r. 518

-.

i,]

PERNO TIRANTE CON DOOlE TUERc/\

-~I)J)'1.

PIE OU1((l10 M/\RCO METlIlICO con,"ucdon on vi9° IOpo" d. '80. 180mm.

'-, ',.7.5(1), .-.

,......-----

~ -Q..-

E :::: N

- ¡:

-¡;;

r

~.O"

"'~-,,""j--<1I1__Ci -'~ . PIElA

o""

De Catálogo

170

. CONSTRUCCION

ir"

D(

SOMBR(no

'_'0_'-

~ o o

111Acustermic.


MllnCO

METIILlCO

con,',"ccion .n vigo tipo 11d. 160.180mm

-

4.8.10.4.- Zona entreMarcos. Lazona entre marcos podrá estar conformada por un revestimiento que en calidad y cantidad depende de las condiciones geomecánicas del macizo rocoso y cumple las siguientes funciones: *

Proteger al personal de situaciones de derrumbes.

*

Recibe y transmite carga a los marcos metálicos.

*

Proporciona un lugar seguro y adecuado para la operación de bloque.

*

Proporciona una superficie contra la cual colocar rellenos adicionales.

Normalmente, en los trabajos de excavación, los marcos metálicos se instalan posteriormente a un sostenimiento inicial, como una combinación de malla, pernos de anclaje y hormigón proyectado. En situaciones extremas, en que el sector a sostener, está sujeto a grandes tensiones, los marcos metálicos podrían ser embebidos en el hormigón, formando un conjunto estructural de alta resistencia. Ej: marcos de boca en las puntos de carguío del mineral en una explotación por el método BlockCaving.

4.8.10.5.-

Clasificación de los Marcos Metálicos.

De acuerdo a su forma de actuar podemos distinguir:

* *

Marcos Rígidos' Marcos Deslizantes

* Marcos Articulados

a) Marcos Rígidos

Consisten en marcos metálicos que emplean dos o más elementos unidos por ensambles que rodean

los

perfiles. Estosmarcos se emplean en tenemos donde ya se ha producido la redistribución de presiones, llegando a producirse el equilibrio nuevamente pro el efecto de hacer una abertura del terreno.

A continuación se entrega una clasificación realizada por Proctor y White en 1977, de acuerdo a forma y número de piezas o elementos que lo componen. *

Arco rígido continuo

*

Arco y pies rectos

*

Arco y vigas suple Piesy Viga Suple Arco circular

* Arco, *

* Marco

con solera

En la figura siguiente se muestra el diseño

de cada uno de ellos.

FORTIFICACION- 171

Marcos Rígidos

~I~

Arcos

Arco continuo

Pies

/

¡/

\\

Viga suplementaria

/'

11

,

~

doble.

I

:ti

Viga suplementaria

Viga suplementaria plana

Pies

~~ Viga invertida


b) Marcos Deslizantes. Es un tipo de sostenimiento que emplea perfiles de acero en U o acanalados, para que así puedan ensamblarse, deslizando uno con respecto al otro, cuando la presión del terreno, se hace considerable. Son usados en terrenos muy fracturados y que ejercen altas presiones. Estos marcos deslizantes, bajo presiones excesivas, ceden un tanto, permitiendo que el macizo rocoso cir~undante gradualmente se asiente, transfiriendo los esfuerzos al terreno, a través de la formación de un arco de presión natural, que soporta la carga mayor.

Marcos Deslizantes en un Túnel

De catálogo Underground Roadway Supports. Unimetal.

FORTIFICACION- 1 73

A continuación

se muestran las diferentes

formas de los perfiles metálicos

marcos metálicos deslizantes.

Perfiles Metálicos

De catálogo

Underground

174- CONSTRUCCION

Roadway

Supports.

Unimetal.

DE TUNELES,PIQUESy CHIMENEAS

usados en la fabricación

de los

Todo el sistema funciona antes que la presión del macizo rocoso sea demasiado el marco metálico

se tuerza,

de todas maneras es necesario

que se cumplan

elevado, evitando

así que

las siguientes condiciones.

* La longitud de deslizamiento debe ser a lo menos de 40 cm. * Debe existir paralelismo entre los elementos del arco. * El macizo rocoso, en el sector del marco debe estar perfectamente bloqueado. En las figuras a continuación usados para galerías y acueductos,

se muestran diferentes

esquemas de marcos deslizantes

de 3 y 4 elementos,

como son las de sección circular.

FORTIFICACION - 1 75

Marcos Deslizantes De catálogo UndergroundRoadwaySupports.Unimetal. H

: altura del marco.

AyB D

: dimensión circular de los arcos que forman el marco deslizante.

r 1 y r2

l

: radio de cada una de las piezas del marco. : diámetro del marco.

s

: superficie interior del marco.

p

: peso del marco.

.

: tramo de deslizamiento de cada parte del marco.

* Marco de pies divergentes de 3 elementos.

B

H

,"

d

J

L

H= L= A= 8= D=

176

- CONSTRUCCION

4.495 mm. 6.920 mm. 4.635 mm. 4.770 mm.

.

500 inm.


r =

s=

3.430 mm. 3.430 mm. 24m2

p=

407 kg.

I

r = 2

*

Marco de pies divergentes de 4 elementos

.8

L

H= L= A= B= D=

4.495 6.920 3.635 4.770 500

mm. mm. mm. mm. mm.

s=

3.635 mm. 3.635 mm. 24m2

p=

422 kg.

r = 1

r= 2

" FORTIFICACION- 1 77

* Marco circular de 4 elementos Se entregan antecedentes de diferentes modelos de marcos circulares. B

I

I I

, ,

I

« t-----L,

L(mm.) A(mm.) B(mm;') I D(mm¡~)

p(kg')l

e) Marcos

4.000 3.650 3.650 400 305

5.000 4.545 4.545 500 527

6.000 5.340 5.340 500 769

Articulados.

{ I

Son aquellos tipos de marcos cuya sección puede modificarse, sin que la longitud total del marco varíe. Solo se modifica la sección, cuando se intercala entre los perfiles del marco, un elemento compresible, como madera, para que " actúe como elemento deformable, cuando las presiones del terreno, empiezan a actuar. En la actualidad es un sistema que prácticamente no se usa, quedando virtualmente obsoleto. "

178

- CONSTRUCCION

DE

TUNELES, PIQUES y CHIMENEAS

t

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Instituto Geológico y Minero de España.

179 ~-~

~~~-

-

180

Construccion de Tuneles, Piques y Chimeneas

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