Diseño de Una Galeria Minas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

INTRODUCCIÓN La mina es una excavación realizada en el subsuelo con él fin de extraer minerales. Es el conjunto de instalaciones destinadas a la extracción y tratamiento previo de dichas sustancias. Como tal, la infraestructura minera consta de una telaraña de túneles, galerías, inclinados, transversales, chimeneas, pozos internos y externos, niveles, subniveles, pisos, subpisos, páneles, coladeros, etc., destinados unos a ventilación, otros al transporte, a desplazamientos de los mineros los terceros, a evacuación de aguas los demás y a la explotación misma los últimos. Todas estas obras se caracterizan por sus: localizaciones (respecto a la profundidad, al frente de explotación, a los accidentes geológicos, al mineral, etc.), direcciones (paralelas al cruce de dos familias principales – situación bien desfavorable, o en cualquier ángulo, sinuosas, etc.), inclinaciones (horizontales, subhorizontales, verticales), tamaños (aunque en general el tamaño de las galerías mineras es bien modesto, adecuado a su servicio, es frecuente encontrar en una misma mina galerías de diferentes dimensiones), formas (si bien las formas más usuales en minería son las de herradura – galerías principales en estéril y las rectangulares-galerías en carbón, es frecuente encontrar en la mina una gran variedad de formas: circulares, trapezoidales, ovaloides, cuadradas, etc.) y vida (la vida de una galería minera es función de su servicio: habrán unas que son permanentes y que tendrán que ser mantenidas a todo costo, otras que deberán servir durante un tiempo menos largo y las demás que tendrán una vida muy efímera – desaparecerán a medida que avance el frente de explotación o tras haber cumplido la finalidad buscada). Por lo tanto cada una de ellas demanda de un cuidado particular inherente al servicio que presta y a las solicitudes a las cuales está sometida. RESUMEN La construcción de una galería en minería subterránea es de suma importancia ya que a través de ella se puede transportar: el personal, maquinaria, mineral, roca estéril, etc. Topografía minera

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En el presente trabajo monográfico se dará un alcance breve los diferentes criterios para tener la certeza de una construcción confiable de una galería, se presentaran dos métodos: empírico basado en el área atribuida y el método de análisis mediante modelo de elementos finitos el cual proporcionará el estado tensional de la roca circundante a las cámaras y el del pilar central, permitiendo una optimización en el diseño. También se hace una breve diferencia entra las finalidades y usos entre las galerías en minería y las obras civiles, que cada una tiene un fin distinto de construcción. Por lo tanto, cabe señalar que para la construcción de galerías se utiliza mucho de la geo mecánica, para la adecuada realización de proyectos, su utilización de esta ciencia está basada en sus diferentes métodos que contribuyen al buen desarrollo de la labor minera. Esto va de la mano con el sostenimiento de las mismas por los diferentes tipos de materiales, así como también los diversos equipos que se utilizan durante la realización en trabajos de estos tipos que incluyen la propia ventilación adecuada e iluminación correspondiente.

Índice

ÍNDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................... II RESUMEN ......................................................................................................... II MARCO TEORICO ............................................................................................. 5 GALERIA ........................................................................................................ 5 DIMENSIONES EN UNA GALERÍA ................................................................ 5 REFUGIOS EN GALERÍAS ............................................................................ 6 FORMA DE CONSTRUCCIÓN DE GALERÍAS .............................................. 6 DISEÑO DE LAS GALERIAS .......................................................................... 6 Teoría del área atribuida ................................................................................. 7 METODOS DE DISEÑO EN GEOMECANICA MINERA .................................... 8 Los Métodos Empíricos ................................................................................... 8 Los Métodos Geológicos ................................................................................. 8 Los Métodos Observacionales ........................................................................ 9 Los Métodos Analíticos ................................................................................... 9 Los Métodos de Consentimiento..................................................................... 9 PRINCIPALES FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD MINERA ...... 10 ELECCION DE LA SECCION NECESARIA ................................................. 11 Sección normal .......................................................................................... 11 Sección media ........................................................................................... 11 Sección grande .......................................................................................... 12 ARRANQUE DEL TERRENO........................................................................... 13 SOSTENIMIENTO ........................................................................................ 13 METODOS USADOS .................................................................................... 14 CICLOS DE AVANCE MÁS USADOS .......................................................... 17 EQUIPOS DE PERFORACION .................................................................... 17 Velocidad de perforación ........................................................................... 17 Jumbos ......................................................................................................... 18 Voladuras clases de detonadores ................................................................. 18 Voladura clases de explosivo ........................................................................ 19 Voladuras equipos auxiliares ........................................................................ 19 Voladuras esquemas de tiro ......................................................................... 19 METODOS DE SOSTENIMIENTO ................................................................... 20 Sin sostenimiento .......................................................................................... 20 Topografía minera

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Índice

Sostenimiento con madera ........................................................................... 20 Sostenimiento con concreto .......................................................................... 21 Sostenimiento con acero, arcos perfil i, no deslizable................................... 21 Sostenimiento con acero, arco perfil th ......................................................... 22 Ventilación de galerías ..................................................................................... 22 Conclusiones .................................................................................................... 23 Referencias ...................................................................................................... 24

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MARCO TEORICO GALERIA

Labor minera que conecta diferentes labores en el interior de la mina subterránea.

DIMENSIONES E N UNA GA LER ÍA

Dimensiones de acuerdo a equipos y legislación. Si la galerías es de más de 100 m de largo ubicar refugios cada 30 m si 0,5 m de ancho de equipos.

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REFU GIOS EN G A L ERÍA S

FORM A D E CON STRUC CIÓN DE GA L ERÍA S

Forma de las galerías está dada por dimensiones de equipos y estabilidad

DISEÑO DE LAS GA LERIAS

Para el dimensionamiento de las cámaras de explotación se realizan dos tipos de cálculo: 

Método empírico.



Análisis mediante modelo de elementos finitos.

El método empírico está basado en la teoría del área atribuida, la cual proporcionará una primera aproximación del ancho de cámaras en función de un ancho del pilar central para una altura prefijada. Obtenidos los anchos aproximados se llevarán a un modelo de elementos finitos, el cual proporcionará el estado tensional de la roca circundante a las cámaras y el del pilar central, permitiendo una optimización en el diseño.

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Teo ría d el áre a a tr ib u id a

La teoría del área atribuida supone que los pilares han de soportar todo el peso del terreno suprayacente, obteniéndose una relación de áreas en el caso de pilares o macizos corridos que viene dada por la expresión:  (    )          

Siendo: S = Sección del techo a soportar S’ = Sección del pilar

A = Ancho de la cámara L = Largo del pilar W = Ancho del pilar Para obtener el ancho del pilar, suponiéndolo inmerso en el mineral a extraer, usamos la fórmula: 

   (   )  

Donde: Z = Distancia de la capa a la superficie (profundidad). h = Altura del pilar.  = Densidad media de las rocas suprayacentes. ’ = Densidad media de la roca o mineral a beneficiar.

R = Carga de rotura (sp). K = Coeficiente de seguridad.

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METODOS DE DISEÑO EN GEOMECANICA MINERA

Los métodos de diseño corrientemente empleados para las aplicaciones a la minería pueden clasificarse como: 1)

Métodos Empíricos

2)

Métodos Geológicos

3)

Métodos Observacionales

4)

Métodos Analíticos

5)

Métodos de Consentimiento: Restricciones gubernamentales.

Los Mé to d o s E m p íri c o s

Evalúan la estabilidad de la infraestructura minera mediante estudios estadísticos de condiciones subterráneas las cuales se soportan en la experiencia práctica y el criterio del ingeniero. Las clasificaciones ingenieriles de la masa rocosa constituyen el método empírico más conocido para garantizar dicha estabilidad. Las 7 clasificaciones más importantes son las de Terzaghi (1946); Laufer (1958); Williamson (1959 - 1960); Deere (1964); Wickham, Tie- demann y Skinner (1972); Bieniawski (1973), y Barton, Lien y Londe (1974). En su texto Rock Mechanics Design in Mining and Tunneling, capítulo 6, Bieniawski ofrece una detallada descripción de cada uno de ellos. Estos métodos han recibido una creciente atención en los últimos años y en muchos proyectos subterráneos se han utilizado como la única base práctica. En la minería, recientes aplicaciones incluyen la minería metálica (Kendorski et al., 1983) y la minería del carbón (Bieniawski et al., 1980; Ghose, 1981). Lo s Mé tod os Geo lógic os

Identifican las estructuras geológicas y otros rasgos que afectan la estabilidad de los estratos. Para este propósito se emplean la perforación con extracción de núcleos, el mapeo geológico, el mapeo de isopacas, la fotografía aérea, los análisis de continuidad y las imágenes de satélite. Últimamente se han anexado el análisis de riesgos y el estudio mediante sensores remotos. Con estos métodos es posible determinar la estabilidad de bloques susceptibles a desplazarse así como la dirección de los esfuerzos principales, aspectos estos Topografía minera

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que son fundamentales para la correcta implantación de un túnel. Goodman, R. dedica todo un texto titulado Methods of Geological Engineering in Discontinuous Rocks, 1976, a dichos métodos. Lo s Mé tod os Ob serv acio nales

Demandan de un monitoreo continuo de los desplazamientos del terreno durante la excavación y del análisis de la interacción roca-soporte, a fin de detectar las potenciales inestabilidades. Se incluyen el Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles, el Método Convergencia-Confinamiento y el Método Alemán de Control de Estratos. Los Mé to d o s A n al íti c o s

Determinan los esfuerzos y las deformaciones alrededor de las cavidades subterráneas. Incluyen las técnicas de las soluciones exactas, los métodos numéricos, las simulaciones análogas y la modelización física. El éxito de estos métodos depende de la selección de los procedimientos de modelización más apropiados, de la validez de las relaciones constitutivas del comportamiento mecánico de las masas rocosas y de la confiabilidad de los parámetros de entrada requeridos para el análisis. Actualmente existe una copiosa bibliografía al respecto entre la que se destacan: La Méthode des Eléments Finís Appliquée á la Mécanique des Roches, de Fine Jacques y Vouille Gérard, 1980. Contribution á l'Etude de la Mécanique des Terrains par une Méthode de Différences Finies, de M. Dejean, 1970, tesis de Doctor en Túnel de la Quiebra. Boca de Santiago. Galería de transporte-Mina de carbón-Amagá-Antioquia ingeniero. Contribution á l'Etude du Boulonnage. Applica¬tion au Soutènement des Voies á la Mine de la Mure, Alvaro Correa Arroyave, 1983, tesis de DoctorIngenie¬ro. Numerical Methods in Geotechnical Engineering, Chandrakant, S. Desai y Christian, John T., 1977, y Finite Eléments in Geotechnical Engineering, D.J. Na¬ylor y G.N. Pande, 1981, entre otros. Lo s Mé tod os d e Cons ent im ien to

Pueden considerarse como procedimientos de diseño aparte porque independiente de los anteriores, los explotantes deben cumplir con las leyes mineras y demás disposiciones legales y otras limitaciones características de la Topografía minera

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actividad en sí (pozos de ventilación, galerías de transporte, salidas de emergencia, etc.).

PRINCIPALES FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD MINERA 1. El campo de esfuerzos in situ. 2. La resistencia, deformabilidad y otras propiedades mecánicas de los estratos. 3. Las condiciones del agua subterránea. 4. El método y la calidad de la excavación. 5. El soporte de las galerías. 6. La interacción entre vías adyacentes. En diferentes universidades del mundo se realizan ingentes esfuerzos para desarrollar métodos de diseño adaptados a la explotación minera: la Escuela de Minas de París y la Escuela de Minas de Nancy, en Francia; la Universidad de Pennsilvania y el Instituto Tecnológico de Massachusetts, en E.U., y el Imperial Collège, en Inglaterra, entre otras. Dichos métodos, mediante frecuentes retroalimentaciones, han permitido: 1) Recomendar

los

procedimientos

geológico-ingenieriles

para

la

caracterización del mineral y de los encajantes. 2) Determinar la eficiencia de los sistemas de clasificación de masas rocosas para el diseño minero. 3) Concluir en una fórmula de resistencia mejorada para el diseño de pilares, en particular de carbón. 4) Establecer pautas para el diseño del soporte de galerías en el mineral.

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5) Relevar la importancia de los estudios sobre modelos, especialmente la técnica de la mesa de fricción, para analizar la estabilidad del techo de la mina. Posteriores investigaciones permitirán modelizar toda una serie de situaciones mineras tanto a cielo abierto como subterráneas. 6) Evaluar las técnicas de los ensayos in situ para la determinación de la deformabilidad de la masa rocosa así como de los esfuerzos, en aplicaciones mineras. 7) Transferir tecnología de procedimientos aplicados en la ingeniería civil, al control de estratos en la minería. 8) Desarrollar la modelización numérica, incluyendo estudios paramétricos, para evaluar la estabilidad de las intersecciones de galerías.

ELECCION DE LA SECCION NECESARIA Sección nor mal

Sección de 5 a 8 m 2, galerías para talleres de explotación manual máximo 300 metros de avance.

Sección media

De 9 a 12m 2, galerías de tajos mecanizados.

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Sección grande

Más de 12m 2, galerías principales de transporte, con bandas, doble vía, galerías de ventilación.

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ARRANQUE DEL TERRENO Martillo picador manual. Martillo picador mecánico. Explosivos. Cemento expansivo Minador. Tuneladora.

SOSTENIMIENTO 

Sin sostenimiento



Madera



Arcos de acero



Bulonaje, (con resina, hidráulicos, de acero, acero inox, material plástico)

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METODOS USADOS

Avance con pala neumática y voladura para galerías horizontales.

Avance con pala electrohidráulica, hasta los 18°

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Avance con minador, hasta los 16°

Avance con Scraper, hasta 30°-35°. Topografía minera

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Avance con tuneladora (Topo). Horizontal.

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CICLOS DE AVANCE MÁS USADOS 

Cargue, (con pala neumática).



Sostenimiento (con arco de acero TH)



Perforación, (con martillo perforador)



Voladura, (explosivos).

EQUIPOS DE PERFORACION

Martillos ligeros: de peso inferior a 18 kg. Martillos medios: de 18 a 27 kg. Martillos pesados: peso superior a 27 kg. Elección del martillo, depende de: 

La naturaleza del terreno.



La presión de aire comprimido disponible.



Las condiciones del trabajo del frente.

Velocidad de perforación

Depende de: 

La práctica del obrero.



La dureza y clase de roca.



El tipo de martillo y estado del mismo.



Del afilado de las barrenas.

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

De la presión del aire comprimido.



De la presión del agua.



Jumbos 

Neumáticos.



Electrohidráulicos.



De uno, dos o más brazos.



Requieren secciones mayores



Mayor velocidad de perforación.

Voladuras clases de detonado res 

En minería del carbón, se usan 3 clases de explosivo:



Goma 2 e, alto poder rompedor (roca).

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

Explosivo de seguridad n° 9 (roca y carbón).



Explosivo de seguridad n° 20 SR (carbón).



Solo se usan detonadores de seguridad.



Dos tipos diferenciados en el tiempo: 

Retardos



desde n° 0 al n° 12, en intervalos de 0,5 sg max. 6 sg.

Voladura clases de explosiv o 

Microrretardos



Desde el n° 0 al 18, en intervalos de 30 msg



max. 540 msg

Voladuras equipo s auxiliares 

Explosor. Ha de ser especial para atmosferas explosivas, el tiempo del pulso de corriente eléctrica ha de ser menor de 4 milisegundos.



Óhmetro. Comprobador de línea. Ha de ser homologado para atmosferas explosivas.



Hay equipos especiales que sirven para ambas operaciones, son comprobador y explosor.



Línea de pega. Dos líneas paralelas e independientes.

Voladuras esquem as de tiro

Es muy importante un correcto diseño del esquema de tiro para que la voladura tenga un buen rendimiento. 

        

Partes principales de un esquema de tiro: Cuele, contracuele, ayudas, coronas y zapateras. Cueles más usados: Sarrois Sueco, Cuña, Abanico, Coromant, Bethune.

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METODOS DE SOSTENIMIENTO S i n s o s t e n im i e n t o

A)

S o s t e n i m i en t o c o n m a d e r a

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S o s t e n i m i en t o c o n c o n c r e t o

Sostenim iento co n acero, arcos p erfil i, no d eslizable.

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Sostenim iento con acero, arco p erfil th

Ventilación de galerías Las galerías deben tener buena ventilación para mejorar las condiciones laborales de los trabajadores, así como también para el buen desempeño de los equipos.

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Conclusiones 

En la construcción de galerías subterráneas se utiliza diferentes tipos de martillos para cada tipo de material rocoso.



Dentro de la maquinaria más sofisticada en la construcción de túneles para obras civiles están las TBM’s, estas excavan y recubren al mismo

tiempo con una capa de hormigón. 

El tiempo de vida de una galería depende de la finalidad de construcción.



El sostenimiento más eficaz es el con hormigón y el con el acero.



La diferencia entre galerías mineras y obras civiles, es que la obra civil los que transitan todos los usuarios mientras que en las galerías mineras solamente mineros técnicos.

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Referencias Arroyave, A. C. (1998). La modelización analítica como una ayuda Geomecánica para el diseño minero. GALERIAS MINERAS, 10-19. Carrasco, E. D. (2004). Análisis del cierre de las operaciones mineras subterraneas para alcanzar la proteccion ambiental. FAC. ING. GEO. MIN. MET. GEOG, 39-47. Codelco. (2009). CRITERIOS ESPECÍFICOS DE DISEÑO. Chile. minas, M. d. (2007). Guia para el diseño de tapones. Lima: Percan. S.A, T. X. (2007). PROYECTO DE EXPLORACIÓN. Compañias Mineras, 2-13.

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