Diseño y evaluación de los ademes de madera, en la l a empresa C.I CARMINALES en el municipio de Fredonia.
YUVER DARIO RAMIREZ ALVAREZ
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MEDELLIN
FACULTAD DE MINAS
INGENIERIA DE MINAS Y METALURGIA
2009.
Trabajo de Grado para Optar al Título de Ingeniero de Minas y Metalurgia
Director JORGE MARTIN MOLINA ESCOBAR
Ingeniero Ingeniero de Minas y Metalurgia Metalurgia
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.
SEDE MEDELLIN.
FACULTAD DE MINAS.
INGENIERIA DE MINAS Y METALURGIA.
2009
Trabajo de Grado para Optar al Título de Ingeniero de Minas y Metalurgia
Director JORGE MARTIN MOLINA ESCOBAR
Ingeniero Ingeniero de Minas y Metalurgia Metalurgia
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.
SEDE MEDELLIN.
FACULTAD DE MINAS.
INGENIERIA DE MINAS Y METALURGIA.
2009
Infinitas gracias a todas a todas las personas que de una u otra forma intervinieron para la elaboración de este trabajo, y de manera especial al ingeniero Martin Torres, profesor Jorge Martin Molina, personal del laboratorio de Estructuras de la Universidad Universida d Nacional de Colombia, entre otros, que con sus aportes y experiencia enriquecieron de manera significativa esta labor.
TABLA DE CONTENIDO.
LISTA DE TABLAS ....................................................................................................................
VII
LISTA DE FIGURAS. ................................................................................................................
VIII
RESUMEN ..................................................................................................................................
X
ABSTRACT ................................................................................................................................
XI
1.INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................
12
1.1OBJETIVOS .........................................................................................................................
13
1.1.1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................
13
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...........................................................................................
13
1.1.3 ALCANCES .....................................................................................................................
13
2. DESCRIPCION DE LA MINA EL BLOQUE .........................................................................
14
2.1 UBICACIÓN Y CLIMA ........................................................................................................
14
2.2 GEOLOGÍA ..........................................................................................................................
14
2.2.1 GEOLOGÍA REGIONAL ..................................................................................................
14
2.2.2 GEOLOGÍA LOCAL .........................................................................................................
15
2.2.3 GEOLOGÍA DE LOS MANTOS DE CARBÓN ...............................................................
16
2.2.4 RECURSOS DE CARBÓN .............................................................................................
16
2.3 MINERÍA .............................................................................................................................
17
2.3.1 ARRANQUE DEL MINERAL ...........................................................................................
18
2.3.2 CARGUE DEL MINERAL ................................................................................................
18
2.3.3 TRANSPORTE DEL MINERAL ......................................................................................
18
2.3.4 SOSTENIMIENTO ..........................................................................................................
19
2.3.5 VENTILACIÓN SECUNDARIA .......................................................................................
19
2.3.6 ILUMINACIÓN .................................................................................................................
19
2.3.7 BOMBEO DE AGUA ........................................................................................................
19
3. GENERALIDADES SOBRE EL SOSTENIMIENTO DE MINAS ....................................... 20 3.1. SOSTENIMIENTO ............................................................................................................
20
3.1.1 EXIGENCIAS TÉCNICAS. ..............................................................................................
20
3.1.2 EXIGENCIAS DE PRODUCCIÓN ..................................................................................
20
3.1.3 EXIGENCIAS ECONÓMICAS .........................................................................................
21
3.2 MATERIALES DE SOSTENIMIENTO. ..............................................................................
21
3.3 COMPOSICIÓN DE LA MADERA .....................................................................................
23
4 CARACTERISTICAS INGENIERILES DE LA MADERA EMPLEADA EN LAS MINAS .... 24 4.1.1 VENTAJAS. .....................................................................................................................
24
4.1.2 DESVENTAJAS. .............................................................................................................
25
4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA MADERA. ....................................................................
25
4.3 DEFECTOS DE LA MADERA. ...........................................................................................
26
4.4 PROPIEDADES GENERALES DE LA MADERA .............................................................
27
4.5 PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DE LA MADERA. ............................................... 28 4.5.1 RESISTENCIA DE LA MADERA. ....................................................................................
29
4.5.2 RESISTENCIA A LA TENSION. ....................................................................................
29
4.5.3 RESISTENCIA A LA COMPRESION. ............................................................................
32
4.5.4 RESISTENCIA AL PANDEO. ..........................................................................................
36
4.5.5 RESISTENCIA A LA FLEXION O (MODULO DE RUPTURA). ..................................... 36 4.5.6 RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE. ...............................................................
39
5 PRESIONES EN LOS ADEMES DE MADERA. .................................................................
40
5.1 EVALUACION DE PRESIONES .......................................................................................
40
5.2 PRESIONES EN GALERIAS .............................................................................................
40
6 CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA EL DISEÑO DE ADEMES .............................. 42 6.1 DISEÑO DE LOS ADEMES DE MADERA ........................................................................
47
6.1.1 MARCOS DE MADERA EN LOS TUNELES. ................................................................
47
6.1.2 PARA EL MARCO DE MADERA ....................................................................................
47
6.1.3 PARA EL DISEÑO DEL CAPIZ DE MADERA. ..............................................................
47
6.1.4 DISEÑO DE LAS PALANCAS. .......................................................................................
47
6.1.5 METODOLOGÍA UTILIZADA ...........................................................................................
48
7. MÉTODOS MADERA.
PARA ELEVAR LA VIDA DE UTIL DE LA FORTIFICACIÓN DE ........................................................................................................................
55
8. RESULTADOS Y ANÁLISIS. ...............................................................................................
57
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................................
60
10. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................
62
LISTA DE TABLAS. TABLA 1. RECURSOS CARBONÍFEROS DE LA MINA EL BLOQUE................................. 17 TABLA 2 COEFICIENTE DE CALIDAD CONSTRUCTIVA PARA DIFERENTES MATERIALES ........................................................................................................................ 22 TABLA 3 VALORES PROMEDIO DE LAS PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DEL PINO. ..................................................................................................................................... 29 TABLA 4.RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE ALGUNOS MATERIALES ............................ 30 TABLA 5. ETAPAS PARA EL DISEÑO DE ADEMES .......................................................... 43
LISTA DE FIGURAS. FIGURA 1. ESQUEMA GENERAL DE EXPLOTACIÓN M INA EL BLOQUE. ....................... 18 FIGURA 2 CORTE TRANSVERSAL DEL TRONCO DE UN ÁRBOL. ................................... 23 FIGURA 3.EFECTO DEL MEDIO AMBIENTE EN EL CONTENIDO DE AGUA DE LA MADERA. ...................................................................................................................................
26
FIGURA 4 DEFECTOS ESTRUCTURALES Y NATURALES EN LA MADERA ................... 27 FIGURA 5.TENSIONES PERMISIBLES SEGÚN TSIMBAREVICH. ..................................... 29 FIGURA 6.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN Y LA DIRECCIÓN DE LA FIBRA .............................................................................................................................
31
FIGURA 7.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN Y LA DENSIDAD RELATIVA. .................................................................................................................................
31
FIGURA 8.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN Y EL CONTENIDO DE HUMEDAD ..........................................................................................................................
32
FIGURA 9.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN(O APLASTAMIENTO) DE LA MADERA DE PINO Y EL ÁNGULO DE FIBRA. ........................ 33 FIGURA 10.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN(O EL APLASTAMIENTO) Y LA DENSIDAD RELATIVA A DIFERENTES CONTENIDOS DE HUMEDAD. ...............................................................................................................................
34
FIGURA 11.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN(O APLASTAMIENTO) Y EL CONTENIDO DE HUMEDAD PARA VARIAS ESPECIES ARBORÍCOLAS. ................................. 34 FIGURA 12.EFECTO DE LA HUMEDAD EN LA COMPRESIÓN(O APLASTAMIENTO) DE LA MADERA.
RESISTENCIA
A
LA 35
FIGURA 13.HUMEDAD VS. CAPACIDAD DE SOPORTE DE CARGA DE LA MADERA. ................................................................................................................................... FIGURA 14.RESISTENCIA AL PANDEO(O GENERALMENTE EMPLEADA EN LAS MINAS.
PANDEO)
DE
LA
35
MADERA ................... 36
FIGURA 15.EFECTOS DE LA DIRECCIÓN DE L A FIBRA SOBRE LA RESISTENCIA ALA TENSIÓN, COMPRESIÓN, Y FLEXIÓN DE LA MADERA. ............................................ 37
FIGURA 16.EFECTOS DE LA HUMEDAD Y DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA ALA FLEXIÓN DE LA MADERA. ...................................................................
38
FIGURA 17 DIÁMETRO DE NUDOS VERSUS ESFUERZO FLEXIONANTE. .................... 38 FIGURA 18.EFECTOS DE LA DURACIÓN DE LA CARGA EN LA RESISTENCIA A LA FLEXIÓN EN LA MADERA. .....................................................................................................
39
FIGURA 19.EFECTO DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE EN LA MADERA. ...........................................................................
40
FIGURA 20.ESQUEMA DEL CÁLCULO DE LA PRESIÓN ACTUANTE POR EL TECHO SEGÚN PROTODIAKONOV. ....................................................................................
41
FIGURA 21.REACCIONES Y CARGAS PRESENTES EN UNA FORTIFICACIÓN TRAPEZOIDAL. ........................................................................................................................
41
FIGURA 22.PARTES SOSTENIMIENTO
PRINCIPALES
DE
PUERTAS
DE
MADERA
DE ......... 44
FIGURA 23.TIPOS DE REFUERZO PARA PUERTAS DE MADERA. ................................. 46
RESUMEN Autor: Yuver Darío Ramírez Álvarez. Director: Jorge Martín Molina Escobar Trabajo Dirigido de Grado, Ingeniería de Minas y Metalurgia Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Realizado en el Semestre 01 – 2009 La empresa C.I Carminales, localizada en el municipio de Fredonia, es una mina que se dedica a la explotación de carbón mineral procedente de la cuenca carbonífera del Sinifaná. En su afán de incrementar su nivel técnico y de mecanización, ha decidido realizar un estudio general al tipo de sostenimiento o fortificación. Actualmente en su mayoría de trabajos, que consiste en ademes de madera tipo puerta alemana; la empresa quiere saber si este tipo de sostenimiento es adecuado para sus trabajos con el fin de brindarle la mayor seguridad posible a sus trabajadores en la explotación, vías de transporte, entre otros, teniendo en cuenta también que en la mina, debido a la formación geológica donde se encuentran los mantos explotados, se presentan rocas encajantes poco competentes por lo que la caída o desprendimiento del techo representa un peligro potencial. Este proyecto se inicia por la necesidad de estudiar las propiedades generales de la madera empleada para la fortificación de vías en minería, y para evaluar el manejo de la madera en la empresa, determinando puntos críticos, observando algunas ventajas y desventajas en su utilización; en el cálculo de las dimensiones del sostenimiento, y para ello se trabajaron aspectos muy teóricos que después fueron comparados con las condiciones de la empresa. Con el presente trabajo se analizaron varios parámetros que influyen en el sostenimiento de minas como la evaluación de presiones y cargas actuantes tanto por el por el techo (verticales) como las laterales(horizontales), capacidades de soporte de postes, y se graficaron algunos ensayos de maderas representando curvas de esfuerzo contra deformación con varios contenidos de humedad, para así analizar su comportamiento en diferentes lugares de la mina, al realizar los modelos teóricos y compararlos con las condiciones actuales de la mina se obtuvieron resultados muy satisfactorios, por último se realizan unas recomendaciones importantes sobre el manejo del recurso maderero a fin de aumentar la vida útil, teniendo conceptos de racionalización y tratando se disminuir el consumo de madera en la empresa, además se trata de determinar las características y requisitos generales que debe cumplir la madera para ser utilizada en los diferentes sitios de trabajo según las diferentes necesidades y requerimientos específicos de estos. PALABRAS CLAVES: Sostenimiento, ademes, fortificaciones mineras, madera.
ABSTRACT.
Autor: Yuver Darío Ramírez Álvarez. Director: Jorge Martín Molina Escobar Trabajo Dirigido de Grado, Ingeniería de Minas y Metalurgia Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Realizado en el Semestre 01 – 2009 C.I Carminales is a company, located in the town of Fredonia, Antioquia - Colombia, is a mine that is dedicated to the extraction of coal from the coalfields of Sinifaná. In an effort to increase its technical level and mechanization, has decided to conduct a comprehensive study of the type of support. Currently the majority of work, which is in addition to wood type door German, the company wants to know if this kind of support is appropriate for their work in order to provide the greatest possible security for their workers in the explotation, transportation, among others. Taking into account also that in the mine, due to the geological formation where the mantles are exploited, there are little rocks over the explotation, responsible for the fall or dislodgement of the roof represented a potential danger. this project was initiated by the need to study the general properties of the wood used for the fortification of roads in mining and to evaluate the management of wood in the company, identifying critical points, having some advantages and disadvantages in their use in calculating the dimensions of support, and this worked very theorists who were then compared with the conditions of the company. In this paper we analyzed several parameters that influence the support of mine as the assessment of pressures and loads acting on both, the roof (vertical) and lateral (horizontal), abilities, support poles, and some trials are graphically depicted timber representing efforts against deflection curves with various humidity contents, to analyze its behavior in different places of the mine, to make theoretical models and compare with current conditions in the mine were very satisfactory results, is finally done some important recommendations about the management of timber resources to enhance life, taking concepts are trying to rationalize and reduce the consumption of wood in the company also seeks to identify the characteristics and requirements to be met for the wood used in different work sites according to different needs and requirements specific to these.
KEY WORDS: Support, Design of support in mines, wood.
1. INTRODUCCIÓN El presente trabajo, en su primera parte trata de definiciones básicas, algunos materiales empleados en fortificaciones pero realizando un especial énfasis en la madera y en su composición química, después se realizan algunos recuentos de las características ingenieriles de la madera empleada en las minas, efectuando una comparación de las principales ventajas y desventajas. Consecuentemente, se nombran los principales factores que me afectan la madera, sus principales defectos de carácter natural, para ya entrar a comentar sobre las propiedades generales de la madera para después adentrarnos en las propiedades físico-mecánicas como resistencia al esfuerzo cortante, a la tensión, compresión, pandeo, flexión , entre otros detallando su comportamiento al involucrar diversas variables. Ya por último se evalúan las presiones sobre el ademe o entibado, observando esquemas y parámetros para el cálculo del diseño de fortificaciones, describiendo la utilidad de los diversos implementos empleados en una fortificación de madera especial para minería. Después se reseñan algunas características que se tuvieron en cuenta para el diseño del ademe de madera, también se anexan unas plantillas o hojas técnicas de la madera que se emplea generalmente en la mina y al finalizar se describen algunos métodos para elevar la vida útil o la vida de servicio, de fortificaciones de madera que se emplean en algunos países.
1.1OBJETIVOS. 1.1.1 OBJETIVO GENERAL Estudiar, diseñar y evaluar el estado actual de los ademes de madera en la mina de acuerdo a recopilaciones bibliográficas. 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Analizar las condiciones actuales del sistema fortificación de la mina Crear una metodología de trabajo. Medir las variables que intervienen en el proceso de caracterización del sistema de sostenimiento de la mina. Formular varias propuestas para mejorar el sistema de a demes de madera en la mina. 1.1.3 ALCANCES Presentar soluciones, técnica y económicamente viables para mejorar los inconvenientes que conlleva fortificar con madera, el cual es el principal tipo de sostenimiento que presenta la mina El Bloque. Traer beneficios con el amplio conocimiento del tipo de sostenimiento que se presenta en la mina, para así ayudar a tomar una mejor decisión para disminuir costos en el sistema de fortificación proporcionando las bases para seguir mejorando el sostenimiento de la mina.
2. DESCRIPCION DE LA MINA EL BLOQUE El titular de contrato de exploración y explotación No 05-001-98 es la empresa GEOMINAS S.A., quien desde hace mas 20 años ha explotado el carbón mineral, este tipo de carbón es caracterizado como bituminoso, y presenta un poder calorífico de 11.000 BTU, actualmente la empresa posee una producción aproximada de 7.000 toneladas mensuales y cuenta con un personal de 200 trabajadores distribuidos en 2 turnos. 2.1 UBICACIÓN Y CLIMA. Según GEOMINAS (2002) La mina “El Bloque” está localizado en la vereda de Jonás del municipio de Fredonia, departamento de Antioquia, y tiene una extensión de 289,16 Ha El acceso al lugar de la explotación se hace desde Medellín por la vía conocida como la Troncal del Café hasta el corregimiento de Camilocé; se continúa por la carretera que conduce al municipio de Fredonia y a unos 5 Km se desvía hacia la izquierda para llegar a la mina El Bloque. El clima de la zona se caracteriza por tener una temperatura promedio de 24ºC y una precipitación de 2.000 mm. La bocamina se encuentra en la cota 1181 m.s.n.m. 2.2 GEOLOGÍA Según GEOMINAS (2002)
2.2.1 GEOLOGÍA REGIONAL A nivel regional se distinguen tres unidades litológicas principales que están constituida por la Formación Amagá o Terciario Carbonífero de Antioquia, que está limitada al Este por rocas paleozoicas del Complejo Polimetamórfico o Grupo Ayurá Montebellos de la Cordillera Central y también por el Stock Granítico de Amagá. Esta composición geológica esta complementada con depósitos de vertiente y aluviales que ocurren en laderas y drenajes principales.
2.2.2 GEOLOGÍA LOCAL En el área del contrato se distinguen una unidad morfológica caracterizada por pendientes moderadas, de geoformas redondeadas, controladas por las pendientes estructurales que se inclinan hacia él SE y que están constituidas por suelos residuales o por los estratos del basamento rocoso. Los predios del contrato están conformados geológicamente en su mayor extensión por las rocas o estratos del Terciario Carbonífero de Antioquia o Formación Amagá y por coberturas recientes compuestas por depósitos de flujo de lodo y escombros y depósitos aluviales restringidos a los cauces principales. La descripción de los estratos geológicos desde el más reciente hasta el más antiguo es: Depósitos de flujo de lodo: Están distribuidos en toda el área, aunque restringidos a zonas de antiguos y actuales asentamientos del terreno. Los flujos constituyen cobertura de materiales transportados por gravedad aprovechando las inclinaciones del terreno en el sector y depositados a lo largo de las laderas, estos materiales lluviosos; su composición es preferiblemente arcillosa de consistencia plástica; su espesor es desconocido. Depósitos Aluviales: En general, se encuentran restringidos al cauce de la quebrada Piedras Verdes; están constituidos por cantos polimícticos de rocas ígneas y volcánicas, esquistos y otras sedimentarias en una matriz arenosa. Formación Amagá o Terciario Carbonífero de Antioquia: Toda la extensión del área del contrato está cubierta por las rocas del Terciario Carbonífero de Antioquia o Formación Amagá, en especial por los Miembros Medio o Carbonífero y el Superior; una pequeña franja de los estratos del Miembro Inferior aflora adyacente al eje de un anticlinal fallado detectado hacia el extremos oriental del área y en el extremo sureste de la quebrada Piedras Verdes (por fuera del área del contrato). Miembro Superior: Aflora hacia la parte Occidental del área; este miembro se caracteriza por estar formado por una secuencia monótona de areniscas y limonitas arcillosas dispuestas en estratos ínter estratificados muy potentes y homogéneos de color gris y también como gradaciones. Miembro Medio: Es el nivel productivo de la Formación Amagá, caracterizado por la presencia de varias cintas de carbón y mantos explotables. Su composición litológica consta de areniscas, limonitas, arcillolitas y mantos de carbón; en esta secuencia son comunes los cambios de facies entre areniscas y arcillas. Se encuentran alojados en este miembro tres mantos de carbón con mayor importancia económica en el área del contrato, que se extraen en la mina vecina Carbones Nechí y corresponden a los mantos superiores de la secuencia regional de la cuenca con espesores entre 1.10 y 1.40 m.
Miembro Inferior: La exposición del miembro inferior en el área del contrato está muy restringida hacia la quebrada Piedras Verdes en el extremo suroeste y en el flanco Este del anticlinal fallado, donde las fallas F3 y el sinclinal F4 ponen en contacto este miembro con el inferior. Se caracteriza por presentar una secuencia potente de areniscas conglomeraticas y limonitas arcillosas. Complejo Polimetamórfico de la Cordillera Central: Se localiza en el extremo noreste del contrato y constituye un cuerpo alargado con dirección norte-sur, que está en contacto fallado con las rocas sedimentarias de la formación Amagá a través del sobre escurrimiento de Piedecuesta. Su edad ha sido estimada como paleozoica en los estudios regionales. 2.2.3 GEOLOGÍA DE LOS MANTOS DE CARBÓN Los mantos tienen una clara continuidad estructural tanto en el buzamiento como en el rumbo, especialmente en el sector comprendido por las estructuras mayores: entre el eje del sinclinal Amagá y el anticlinal fallado. La descripción detallada de los mantos es: Manto La Capotera: Es el manto superior de la secuencia; aunque no se le conocieron manifestaciones superficiales en el área del contrato. Es un manto muy irregular, discontinuo en el rumbo y con espesores muy variables, por lo que no se considera explotable. Manto 1: Es el más atractivo de la secuencia debido a su espesor y constituye una clara guía de correlación por causa de la presencia constante de intercalación arcillosa a 29 cm de su techo. Manto 2: Se encuentra normalmente entre 1.4 y 16 m estratigráficos por debajo del Manto 1; su espesor varía entre 1.0 m a 1.35 m. El manto carece de intercalaciones, pero localmente puede presentar hacia el piso dos intercalaciones de Lutita de 2.9 y 6.8 cm. Manto 3: Esta situado a unos 14 m por debajo del Manto 2; su espesor alcanza los 1.21 m y carece de intercalaciones. 2.2.4 RECURSOS DE CARBÓN Para el cálculo de los recursos geológicos correspondientes al área del contrato 05001-98 se consideraron únicamente las capas de carbón donde se puede desarrollar técnicamente la explotación, esto corresponde a los mantos 1, 2 y 3 con un espesor acumulado de 3.67 m. Estos cálculos se limitan al bloque o sector correspondido entre el límite occidental del contrato y la traza de la Falla 2, a partir de la cual se definió la ausencia de estos mantos hacia el oriente. Los recursos de carbón medidos en este bloque se muestran en la Tabla 1:
Recursos Básicos (ton) Manto Medidos
Indicados
Inferidos
1
596.988
913.862
827.363
2
498.454
1.033.596
978.572
3
445.810
895.889
855.443
TOTAL 1.541.253 2.843.348 2.661.378 TABLA 1. RECURSOS CARBONÍFEROS DE LA MINA EL BLOQUE. Fuente: GEOMINAS (2002) 2.3 MINERÍA. Los mantos actualmente en explotación son manto 1 2 y 3, los cuales tienen un espesor promedio de 1.3 m. El acceso al manto 1 se realiza a través una cruzada de área 3.69 m2 y 60 m de longitud, donde se desarrolla el 70% de la explotación. Al manto 3 se accede a través de una cruzada en roca de 124 m de longitud, la cual parte del nivel 10. A lo largo de la cruzada se corta el manto 2, el cual se había explotado anteriormente. La mina se distribuye en clavadas de transporte, las cuales se utilizan para el transporte de carbón desde los frentes de explotación a la bocamina. Niveles, que sirven para acceder a los tambores de explotación de donde se extrae el carbón. Contra niveles que se utilizan para llevar o devolver el aire de los tambores de explotación y extremos finales de los niveles. La mina tiene activo el siguiente desarrollo de galerías: 4 clavadas de transporte, 7 niveles y 5 contra niveles y un subnivel de ventilación, 2 clavadas para el tránsito de personal. El método de explotación usado es el de “V” invertida (ver Figura 1), el cual es una adaptación del método de cámaras y pilares, el cual se inicia desarrollando desde la clavada de transporte. Cada 15 m se hacen tambores de producción para preparar los bloques de explotación. La distancia entre niveles es de 120 m, de los cuales 40 m son considerados como pilar barrera para proteger las vías de transporte y niveles de los esfuerzos inducidos por la explotación y los otros 80 m son explotados.
FIGURA 1. ESQUEMA GENERAL DE EXPLOTACIÓN MINA EL BLOQUE. Según GEOMINAS (2002) A continuación se describen las operaciones unitarias y auxiliares realizadas en la mina: 2.3.1 ARRANQUE DEL MINERAL. Durante el avance de las labores mineras se producen dos tipos de material: el carbón mineral y el material estéril, procedente de la roca encajante de los estratos carboníferos. En los frentes productivos, en la mayoría de los casos, el carbón se arranca mediante picos (manual); pero en aquellos casos en los cuales la dureza del carbón no lo permite se hace con explosivos, se usa ANFO e Indugel, con un consumo especifico de 0.9 Kg por voladura en los frentes de explotación. El desarrollo de la mina se hace con perforación y voladura. La perforación es eléctrica con barrena helicoidal y en su mayoría se realiza en carbón. 2.3.2 CARGUE DEL MINERAL El cargue de material se limita al carbón, ya que se produce poco estéril y se evita transportarlo a superficie. Lo que se produce en estéril se almacena en bolsillos hechos en carbón y de 10 m de longitud. Dentro de la mina el cargue se da por tres sectores principales: en los frentes de arranque productivo, en las intercepciones del tambor con el nivel del mismo y en las tolvas de almacenamiento interno. 2.3.3 TRANSPORTE DEL MINERAL El carbón se transporte mediante canales de PVC (polivinilo de cloruro) desde los frentes de explotación a los niveles, desde los niveles el carbón se lleva en coches hasta las clavadas principales y de estas se transporta en coches jalados por malacates a superficie. Los coches utilizados son tienen capacidad para 1.2 toneladas de carbón.
2.3.4 SOSTENIMIENTO En la mina la mayor parte del sostenimiento se hace con madera tipo pino patula, pino ciprés o eucalipto. En las clavadas principales, cruzadas y niveles de explotación se asegura mediante puertas alemanas cuya densidad depende de las condiciones de inestabilidad del techo. En promedio puede considerarse la instalación de una puerta por cada metro de avance, en los frentes de explotación se sostiene con tacos de pino y guadua acompañado de tablas (orillo) usados provisionalmente para mantener segura la explotación, estos se distribuyen aproximadamente un taco por metro cuadrado de techo. 2.3.5 VENTILACIÓN SECUNDARIA En los diferentes frentes de avance, el aire se hace llegar mediante la instalación de ventiladores auxiliares en los niveles y clavadas, lo más cerca posible de dicho frente, conectados a ductos plásticos que parte de cada ventilador; por lo general de 18 pulgadas de diámetro. Las otras galerías son ventiladas por el circuito principal de ventilación. 2.3.6 ILUMINACIÓN Todo el personal de la mina se le entrega una lámpara para su iluminación personal 2.3.7 BOMBEO DE AGUA En la operación existen 5 estaciones de bombeo de agua usadas para sacar el agua de los niveles a la superficie y no tener acumulaciones internas de agua. En la explotación laboran aproximadamente 100 personas en un turno de trabajo, se trabajan dos turnos por día de 8 horas cada uno, empezando a las 6:00 am y terminando a las 2:00 pm el primer turno, el segundo em pieza a las 3:00 pm y termina a las 11:00 pm.
3. GENERALIDADES SOBRE EL SOSTENIMIENTO DE MINAS. A continuación se presentan algunas variables o parámetros importantes a considerar en el sostenimiento de minas, algunos materiales empleados y comparaciones realizadas con la mina. 3.1. SOSTENIMIENTO La fortificación o sostenimiento de minas es una construcción artificial que se hace en las excavaciones subterráneas para prevenir la destrucción de las rocas circundantes y preservar las dimensiones de la sección transversal. La fortificación de minas, como una obra más de ingeniería, debe satisfacer una serie de exigencias técnicas, productivas y económicas. Es decir el entibado debe ser simple, fuerte, barato, y efectivo. 3.1.1 EXIGENCIAS TÉCNICAS. Debe ser resistente: la fortificación debe estar capacitada para asimilar carga que sobre ella va a actuar. Debe ser estable: la fortificación debe conservar la forma que se le proyecta aun bajo la acción de las cargas. Debe ser duradera: Su vida de servicio debe estar acorde con la vida de servicio de la excavación. 3.1.2 EXIGENCIAS DE PRODUCCIÓN. Debe ofrecer la menor resistencia posible al paso del aire. Debe ocupar en la excavación el menor espacio posible. Debe ser segura ante el peligro de incendio. No debe entorpecer los procesos productivos. Debe estar constituida por elementos que se puedan preparar en la superficie y que se puedan instalar por medios fáciles o mecanizados.
3.1.3 EXIGENCIAS ECONÓMICAS. El costo inicial y los gastos de mantenimiento durante el periodo de explotación deben ser mínimos. La mayoría de trabajos de fortificación de las excavaciones mineras son costosos, laboriosos y los menos mecanizados de todos los ciclos del laboreo, por eso es sumamente importante, si es necesario fortificar una excavación elegir correctamente la construcción de la fortificación, la cual no debe ser solamente económica, sino que además asegure las condiciones de trabajo en la excavación, durante el transcurso de todo el plazo de servicio. La fortificación de las minas se clasifica según una serie de criterios: Tipo de material usado en su construcción (madera, hormigón, armado de metal, entre otros). Carácter de su trabajo: rígida, flexible. Característica constructiva: fortificación de cuadro o continua. Vida de servicio: fortificación temporal o permanente. Condiciones de trabajo: condiciones normales y condiciones especiales. Por el tipo de excavación: excavación permanente, preparatoria o de arranque. 3.2 MATERIALES DE SOSTENIMIENTO. Para la fortificación en minería hay que tener en cuenta las condiciones donde se van a trabajar (carga variable con el tiempo, acción de la atmósfera minera, agua subterránea, limitación de espacio, entre otros.), por eso en lo posible debemos emplear materiales lo más ligeros posible, y que ocasionen poco trabajo a la hora de instalar la fortificación; los materiales que se empleen debe poseer alta resistencia, tener un costo no muy alto, ser estables y duraderos. Para la valoración de las cualidades constructivas de un material, se emplea el llamado coeficiente de calidad constructiva –X- el cual se calcula por la siguiente expresión:
X
Rc
*
I
v
Donde: X= coeficiente de calidad constructiva Rc =limite de resistencia a compresión del material [MPa] γv =masa volumétrica [kg/m^3]
I=longitud I=longitud del elemento. En este caso para elementos con una longitud de 1 m tenemos que: Coeficiente de calidad Material
Masa Volumétrica
Limite de cálculo de la resistencia Constructiva Compresión
Tracción
Compresión
Flexión
kg/m3
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
Pino
700
13
10
0,019
0,019
Acero ct 0,5
7850
270
270
0,034
0,034
1300
106
250
0,082
0,13
Madera plastificada
TABLA 2 COEFICIENTE DE CALIDAD CONSTRUCTIVA PARA DIFERENTES MATERIALES. Como vemos la resistencia resistencia de la madera (pino), que es la que empleamos empleamos en la mina conjuntamente conjuntamente con el eucalipto, eucalipto, tiene un valor valor bajo de coeficie coeficiente nte de calidad constructiva, lo que no es bueno para fortificar excavaciones con un plazo largo de servicio, además las condiciones de la mina hacen que la vida útil o de servicio de la madera no sean muy grandes, hay que aclarar que en todos los sectores de la mina no se presentan las mismas condiciones por lo que en algunas partes la madera podría ser la mejor opción.
Por estas razones es que al elegir el material de fortificación, deben valorarse todo un conjunto de aspectos: vida útil o plazo de servicio, magnitud y forma que actúa la presión minera, condiciones en que se va a trabajar la fortificación y el factor económico. 3.3 COMPOSICIÓN COM POSICIÓN DE LA MADERA La madera es una materia que como cualquier ser vivo está compuesta íntegramente por células (unidas mediante una membrana de lignina) que le proporcionan las diferentes propiedades físico-químicas, formando además la unidad básica de su constitución. Las células de la madera son elementos complejos que se encuentran formados por dos tipos de componentes (Primarios y Secundarios), y cuyas cantidades varían según el tipo de árbol de que se trate. Los elementos llamados Primarios, están compuestos por celulosa que es un polisacárido que forma las paredes de las células de la madera, estas células se llaman fibras, y la lignina es una sustancia cementante de la madera, el cual es un polímero de unidades de fenilpropano, la pectina es un material gelatinoso y feculento que une las paredes de las células y es muy susceptible a la hinchazón y al a contracción, como resultado del contacto con agua. Los elementos llamados Secundarios son importantes impregnaciones, extrañas a la propia pared celular,
Estructuras
fibrosas.
Las células vivientes forman una capa delgada, en el exterior precisamente debajo de la corteza del árbol, año tras año estas capas mueren y forman los estratos o capas de edad, que es la parte dura de la madera que es la sección esencial de la misma.
FIGURA 2 CORTE TRANSVERSAL DEL TRONCO DE UN ÁRBOL.
También está compuesta por otras sustancias como el duramen, que es la parte inmediata a la médula o corazón, formado por madera dura y consistente impregnada de tanino y de lignina, que le comunica la coloración rosa.; La albura que es denominada la madera joven, posee más sabia y se transforma con el tiempo en duramen al ser sustituido el almidón por tanino, que se fija en la membrana celular, volviéndola más densa e imputrescible y por último la corteza cuya función es la protección y aislamiento de los tejidos del árbol de los agentes atmosféricos. La corteza es la cubierta protectora del árbol y puede variar de gruesa a delgada pero siempre es impermeable. 4 CARACTERISTICAS INGENIERILES ING ENIERILES DE LA MADERA EMPLEADA EN LAS MINAS. Los ademes de madera, son todavía u n material básico de soporte para muchas minas minas en donde no se utiliza el acero, generalmente por aspectos económicos. La resistencia de la madera para las minas se estudia principalmente con respecto a los esfuerzos de tensión, compresión, flexión y esfuerzo cortante. La madera es un material de peso ligero, fácilmente transportable y que se maneja con facilidad en los sistemas de ademe. Un caso especifico especifico es el roble que tiene una densidad promedio de 0.73 g/cm3 y una resistencia a la flexión de 1200 kg/cm2, es 11 veces m ás ligera pero 2 veces más frágil que el acero. Esto hace que la madera sea un material económico cuando se usa en ademes o fortificaciones fortificaciones cuya vida útil sea corta. La madera posee tanto ventajas como desventajas cuando se utiliza en las minas. Algunas de estas son: 4.1.1 VENTAJAS. Es ligera ya que su peso es menor comparándola con otros materiales de sostenimiento como el acero, se transporta, corta maneja y coloca fácilmente como ademe en la mina. Cuando se somete a esfuerzos de compresión compresión y tracción se rompe a lo largo de estructuras e structuras fibrosas precisas, precisas, dando señales visuales y audibles antes de que falle completamente (esto ha hecho que los mineros consideren a la madera con una ventaja sicológica sobre el acero).Las piezas rotas si no están muy deterioradas se pueden volver a emplear. Presenta un alto grado de deformabilidad, deformabilidad, lo que permite, a pesar de ser constructivamente rígida, asimilar algunas deformaciones. En general tiene bajo costo, comparándola con otros tipos de fortificaciones. fortificaciones.
4.1.2 DESVENTAJAS. Las resistencias mecánicas (flexión, tensión, pandeo, compresión y cortante) dependen de las estructuras fibrosas y de los defectos naturales que son propios de la madera. La humedad tiene un efecto muy marcado en la resistencia. Muchos hongos afectan a la madera cuando hay condiciones de humedad disminuyendo considerablemente su resistencia, su relación con otros materiales es poco duradera comparándola con otros tipos de fortificación. Su instalación en excavaciones que posean una sección curva es muy compleja. La madera es un material fácilmente combustible (4000-4500 calorías/gramo). Su resistencia al fuego es alta, ya que a su mala conductividad térmica se une la presencia de agua en su constitución, lo que la hace aún más resistente hasta que la pierde. 4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA MADERA. AGUA: el agua es el componente más importante de la madera, alrededor del 25% del contenido del agua está en las células vivas y el 75% restante está en los huecos de las fibras. Un árbol recientemente cortado contiene del 35% al 50% de agua. La perdida de agua en los huecos se debe al temperatura y a la humedad relativa del medio ambiente, por ejemplo en condiciones normales (20ºC y 80% de humedad relativa) el contenido de agua es cerca del 20%, se considera seca cualquier madera que tenga menos de esta cantidad o porcentaje de agua, mientras que la tenga más de 30% de agua se considera húmeda, en la figura 3 podemos observar el efecto del medio ambiente en el contenido de agua de la madera.
FIGURA 3.EFECTO DEL MEDIO AMBIENTE EN EL CONTENIDO DE AGUA DE LA MADERA. 4.3 DEFECTOS DE LA MADERA. Como material natural que es, la madera tiene muchas defectos causados por las condiciones de su crecimiento, los nudos, las bases de los árboles afectan la resistencia a la flexión, además, los anillos de crecimiento pueden no estar concéntricos debido a las condiciones del viento y del sol, y las condiciones de secado pueden formar grietas, en la figura 4 podemos observar algunos defectos estructurales y naturales en la madera.
FIGURA 4 DEFECTOS ESTRUCTURALES Y NATURALES EN LA MADERA. Agentes atmosféricos expuestos en la mina En algunos sectores se produce el debilitamiento estructural de la madera por exceso de humedad el cual se vuelve en un ambiente propicio donde proliferan los hongos, los cuales son vegetales inferiores de talla microscópica cuyo cuerpo está formado por filamentos llamados hifas. Se difunden por el aire por medio de esporas de color verde que se producen a millones (polinización Anemófila), y que germinan en cualquier lugar idóneo para su desarrollo al cabo de una hora, repitiéndose el proceso de difusión y nueva germinación. Se alimentan de sustancias orgánicas que transforman. Los que lo hacen de la madera -viva o muerta- se denominan hongos xilófagos y los hay de varios tipos según afecten a ésta, como por ejemplo los cromógenos, que son los responsables de modificar el color de la madera. También llegan a afectar sus propiedades mecánicas y dinámicas. Para la subsistencia necesitan oxígeno, y una adecuada temperatura (20º-25ºC) y abundante agua (humedad ambiente, 50-60% H.R.), y con estas condiciones pueden degradar la madera hasta su total destrucción. 4.4 PROPIEDADES GENERALES DE LA MADERA
Anisotropía: Comportamiento diferente en las tres direcciones del espacio (longitud, anchura, espesor), respecto a las presiones y fuerzas a que se vea sometida.
Las propiedades físicas y mecánicas de la madera no son las mismas en todas las direcciones que pasan por un punto determinado. Podemos definir tres direcciones principales en que se definen y miden las propiedades de la madera, que son la axial, la radial y la tangencial. La dirección axial es paralela a la dirección de crecimiento del árbol (dirección de las fibras). La radial es perpendicular a la axial y corta al eje del árbol. La dirección tangencial es normal a las dos anteriores.
Elasticidad: La madera se deforma bajo presiones o compresiones, volviendo a su primitivo estado cuando estas dejan de actuar. Esta propiedad también está presente inclusive cuando la madera está seca.
Recordemos que si se pasa de la zona elástica a la zona plástica ya las deformaciones serán permanentes.
Plasticidad: Capacidad de deformación al ser sometida a cargas pesadas durante cierto tiempo. Higroscopicidad: Debido a su gran porosidad la madera absorbe o cede agua del y al ambiente que lo circunda, según éste sea húmedo o seco. La madera no obstante posee una cierta cantidad de agua estimada en un 20% - 30% de su peso, muy difícil que la pierda totalmente. Movimientos de tracción-turgencia: Por su anisotropía la madera se hincha y/o se contrae produciéndose variaciones dimensionales. Los efectos producidos por esta propiedad pueden evaluarse por ejemplo en torno a un 0.2 % en el sentido transversal, por cada 1% de variación ambiental de la humedad relativa. Esta variación es mucho más importante en el sentido tangencial. Propiedades Térmicas: Como todos los materiales, la madera se dilata con el calor y contrae al descender la temperatura, pero este efecto no suele notarse pues la elevación de temperatura lleva consigo una disminución de la humedad.
La transmisión de calor dependerá de la humedad, del peso específico y de la especie. No obstante, se efectúa mejor la transmisión en la dirección de las fibras que en las direcciones perpendiculares a ésta.
Propiedades Eléctricas: La madera seca es un buen aislante eléctrico, su resistividad decrece rápidamente si aumenta la humedad. Para un grado de humedad determinado la resistividad depende de la dirección (es menor en la dirección de las fibras), de la especie (es mayor en especies que contienen aceites y resinas) y del peso específico (crece al aumentar el mismo).
4.5 PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DE LA MADERA. Las propiedades físico-mecánicas de cualquier variedad de madera están condicionadas en gran medida por su humedad, habitualmente estas propiedades son referidas para la madera seca al aire o sea para aproximadamente un 15% de humedad, en la tabla 3 y figura 5 podemos observar algunas características generales de la madera empleada en la mina.
Limite de resistencia para la humedad de 15%,MPa MADERA
Masa volumétrica para un 15% de humedad g/cm
Pino
3
a compresión según largo de las fibras
0,53
44
a flexión estática
a tracción según las fibras
79
110-160
TABLA 3 VALORES PROMEDIO DE LAS PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DEL PINO.
Resistencia a com resión MPa Ti o de excavación
Resistencia a Flexión MPa
Pino 10
Roble 9
Pino 11,5
Roble 10
Excavaciones preparatorias en condiciones medias.
10
8
10,5
9
Excavaciones en ventilación.
8
6
8,5
7
excavaciones por las que pasa aire fresco
FIGURA 5.TENSIONES PERMISIBLES SEGÚN T SIMBAREVICH. 4.5.1 RESISTENCIA DE LA MADERA. La madera en las minas está sujeta a la flexión, compresión, pandeo y al cizallamiento, a continuación veremos una descripción de estos tipos de propiedades. 4.5.2 RESISTENCIA A LA TENSION. La resistencia máxima de la madera es a la tensión, especialmente la que es paralela a la estructura fibrosa. Una madera con unas condiciones optimas de secado (12% aprox.) puede alcanzar un máximo de 3000 Kg/cm2, pero tenemos que tener en cuenta que la relación de la dirección de la carga con el ángulo de la fibra tienen un efecto muy marcado en la resistencia a la tensión.
En la tabla 4 podemos observar la resistencia a la tensión de algunos materiales y en la figura 6 la relación entre la resistencia a la tensión y la dirección de la fibra.
Material
Resistencia a la tensión (Kg./cm 2)
Alambre de acero
32000
Maderas coníferas(pino)
500-1500
Maderas de hoja ancha
200-2600
Bambú
1000-2300
TABLA 4.RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE ALGUNOS MATERIALES.
FIGURA 6.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN Y LA DIRECCIÓN DE LA FIBRA. La densidad tiene relación positiva con respecto a la resistencia a la tensión, esto lo podemos observar en la figura 7 en la cual se muestra la relación entre la resistencia a la tensión y la densidad relativa.
FIGURA 7.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN Y LA DENSIDAD RELATIVA.
Por el contrario la humedad hace decrecer la resistencia a la tensión, muchos investigadores han indicado que por un aumento desde el 10% del contenido humedad, hasta el punto de saturación de la fibra, la resistencia a la tensión disminuye linealmente como se muestra en la figura 8.
FIGURA 8.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN Y EL CONTENIDO DE HUMEDAD Según el U.S Forest Products Laboratory (Laboratorio para productos forestales de Estados unidos), si hay un incremento de 1% en el contenido de humedad se reduce la resistencia a la tensión a lo largo de la fibra en casi un 3%.Según muchos investigadores, la resistencia máxima a la tensión se alcanza cuando el contenido de humedad está entre el 8% y 10%. Además, los nudos y las muescas también reducen la resistencia de la madera, puesto que la fibra se deforma al pasar en torno a ellos, las fibras de los nudos forman un ángulo recto con las de madera. 4.5.3 RESISTENCIA A LA COMPRESION. La máxima resistencia a la compresión desempeña un papel importante en la utilización de la madera, para los maderos secados al aire la máxima resistencia a la compresión paralela al fibra alcanza en promedio solo cerca del 50% de la resistencia a la tensión a lo largo de la misma fibra, el comportamiento diferente de la madera a la tensión y a la compresión puede explicarse por su estructura fibrosa.
Las fibras bien cementadas y acuñadas soportan esfuerzos a la tensión muy altos, sometidos a compresión probablemente se presente un pandeo inicial de las fibras individuales al empezar la ruptura. El efecto del ángulo de carga con la dirección de la fibra es más notable en la resistencia a la compresión que en la resistencia a la tensión, en la figura 9 podemos observar la relación entre la resistencia a la compresión de la madera de pino y el ángulo de fibra.
Donde µ=contenido de humedad FIGURA 9.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN(O APLASTAMIENTO) DE LA MADERA DE PINO Y EL ÁNGULO DE FIBRA. La resistencia a la compresión de la madera a lo largo de la fibra se incrementa con la densidad, esto lo podemos observar en la figura 10.
FIGURA 10.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Y LA DENSIDAD RELATIVA A DIFERENTES CONTENIDOS DE HUMEDAD. El contenido de humedad es el factor más importante en la resistencia a la compresión de la madera. Como el agua se deposita entre las micelas, causa una reducción en las fuerzas intercelulares de atracción y por lo tanto en la cohesión. A continuación en la figura 11 se muestra la relación entre la resistencia a la compresión y el contenido de humedad en varias especies arborícolas:
FIGURA 11.RELACIÓN ENTRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN(O APLASTAMIENTO) Y EL CONTENIDO DE HUMEDAD PARA VARIAS ESPECIES ARBORÍCOLAS.
Después de que el contenido de humedad alcanza alrededor del 18%, la resistencia no difiere mucho y se vuelve casi constante conservando ya una tendencia, pero el problema es que si tiene alto contenido de humedad el esfuerzo de compresión se me reduce a casi la mitad (para un ≥18% de contenido de humedad la madera reduce a casi la mitad la capacidad de soportar esfuerzo a compresión que si la madera estuviera seca.), este comportamiento lo podemos o bservar en la figura12.
FIGURA 12.EFECTO DE LA HUMEDAD EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LA MADERA. También podemos observar el efecto marcado de la humedad en la disminución de soporte de carga, después del 15% de humedad el efecto ya casi no presenta importancia, ver figura 13.
FIGURA 13.HUMEDAD VS. CAPACIDAD DE SOPORTE DE CARGA DE LA MADERA.
El efecto de los nudos y de las muescas en la resistencia a la compresión no es tan grande como sobre la resistencia a la tensión, sin embargo, este problema no deberá subestimarse. 4.5.4 RESISTENCIA AL PANDEO. Esta resistencia se mide paralelamente a las fibras, en el eje de la madera, según el diámetro y la longitud aproximada podremos calcular la resistencia al pandeo según la siguiente tabla:
FIGURA 14.RESISTENCIA AL PANDEO DE LA MADERA EMPLEADA EN LAS MINAS. 4.5.5 RESISTENCIA A LA FLEXION O (MODULO DE RUPTURA). Los maderos horizontales están sujetos al esfuerzo a la flexión cuando las fibras superiores están sometidas a compresión y las fibras inferiores a tensión. El eje neutro se sitúa más cerca del lado de la tensión que del lado del a compresión, porque la resistencia a la tensión es mucho más alta que la resistencia a la compresión. El modulo de ruptura se mide cargando una viga en el centro, al cargarla, la deflexión se mide y se grafica, después se compara y se concluye que hay varias zonas de deformación, la primera es la zona elástica en donde la carga y la deflexión son proporcionales después esta relación continua pero en menor grado, hasta que se rompe la fibra más alejada, la ruptura no es repentina, si no que se propaga de fibra a fibra deformando el madero. Este comportamiento típico o característico de la madera por eso es que da indicaciones visuales y auditivas previas a la fractura, mientras la madera soporta aun cierta carga, lo que da tiempo suficiente para cambiar oportunamente los ademes en las minas
La dirección u orientación en relación con la carga, afecta también el esfuerzo a flexión. Ver figura 15,16.
FIGURA 15.EFECTOS DE LA DIRECCIÓN DE L A FIBRA SOBRE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN, COMPRESIÓN, Y FLEXIÓN DE LA MADERA. (Podemos ver que la resistencia a la compresión es la menos afectada por la dirección de la fibra.)
FIGURA 16.EFECTOS DE LA HUMEDAD Y DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA A LA FLEXIÓN DE LA MADERA. En la figura anterior podemos ver que se presenta una reducción proporcional o de carácter lineal.
FIGURA 17 DIÁMETRO DE NUDOS VS. ESFUERZO FLEXIONANTE.
Los nudos reducen considerablemente los módulos de ruptura de la madera si se localizan en la zona de tensión, cerca de la sección transversal critica, también podemos observar que el diámetro de los nudos reduce considerablemente la resistencia a la flexión, observar figura 17. La duración de los esfuerzos (fatiga) afecta gradualmente de la madera y podemos observar que la capacidad de soporte por carga en la madera, baja a 60% después de 10 a 20 días. Observar figura 18.
FIGURA 18.EFECTOS DE LA DURACIÓN DE LA CARGA EN LA RESISTENCIA A LA FLEXIÓN EN LA MADERA. 4.5.6 RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE. La resistencia máxima al cortante de la madera es notablemente más bajo que la resistencia a la torsión. Según el Wood Handbook (Manual de la madera), para elementos de madera sólida, el cortante máximo permisible por torsión puede tomarse como el esfuerzo cortante paralelo al a fibra, y pueden utilizarse 2/3 de este valor como el esfuerzo cortante permisible por torsión en el límite proporcional. El esfuerzo cortante perpendicular a la fibra, es alrededor de tres a cuatro veces más alto que el paralelo a la fibra. Observar figura 19.
FIGURA 19.EFECTO DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE EN LA MADERA. 5 PRESIONES EN LOS ADEMES DE MADERA. A continuación se enumeran los principios básicos y consideraciones que se deben tener en cuenta para evaluar o cuantificar la presión que se ejerce sobre el entibado, el cálculo de estos parámetros esta soportado en archivos adjuntos de Microsoft Excel. 5.1 EVALUACION DE PRESIONES. Existen dos principios en el diseño de ademes de madera: 1-Los ademes deberán soportar las cargas con seguridad. 2-La cantidad de material y de mano de obra se deberá restringir a un mínimo (factor de economía). 5.2 PRESIONES EN GALERIAS. Según muchos investigadores, la presión en un túnel o galería tiene la forma de una bóveda (domo) parabólico. (Cemal, 1987) En los fundamentos teóricos se presentan una serie de ecuaciones que serán mostradas en el archivo adjunto de Microsoft Excel. En la evaluación de presiones en galerías intervienen formulas teóricas las cuales son demasiado complicadas e intervienen muchas variables, por eso se emplean formulas que me arrojan valores aproximados.
FIGURA 20.ESQUEMA DEL CÁLCULO DE LA PRESIÓN ACTUANTE POR EL TECHO SEGÚN PROTODIAKONOV.
FIGURA 21.REACCIONES Y CARGAS PRESENTES EN UNA FORTIFICACIÓN TRAPEZOIDAL.
CARGA EN TECHO Y LADOS. Consideración: Las presiones laterales en la roca dura son muy pequeñas o insignificantes (por lo cual solo se empleara carga por el techo), en cambio en rocas fracturadas ejercen una presión lateral hasta dos veces superior a la carga de techo.
En esta imagen podemos observar el efecto de la presión lateral en las puertas de madera.
6 CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA EL DISEÑO DE ADEMES Cuando se observa el diseño de sistemas de soporte es necesario considerar un sin número de factores, estos incluyen: o
La calidad y propiedades (resistencia, deformación, dependencia del tiempo, meteorización) de la roca encajante o circundante.
o
Uniones, planos de corte y diaclasas.
o
Condiciones hidrogeológicas.
o
Campo de esfuerzos
o
Esfuerzos totales alrededor de la cavidad sin soporte.
o
Deformaciones dependientes del tiempo.
o
Puntos de vista buenos técnica y económicamente.
Etapas para el cálculo del diseño de ademes:
Sistema de ademe
Condiciones del techo, piso, material disponible, mano de obra Experiencia,
Simplificación del sistema de ademe Determinación de las cargas que actúan en el sistema Análisis estático bajo las cargas que actúan; reacciones de la sección
Diseño para el mayor esfuerzo
conocimientos
técnicos
Cargas teóricas, hipótesis; mediciones in situ
Ecuaciones y métodos matemáticos
Verificación de detalles, consumo óptimo del material
ILUSTRACION 5. ETAPAS PARA EL DISEÑO DE ADEMES La forma más representativa de la fortificación de madera en las excavaciones horizontales es la de cuadro o portada. El cuadro o portada consta de un sombrero o Capiz y de los peones o apoyos también conocidos como palancas, algunas veces cuando se presenta afloramientos por el piso como consecuencia de presiones laterales, se colocan soleras, esto únicamente cuando se presentan presiones mineras en este tipo de dirección.
Cabezal = Capiz =Sombrero
Postes laterales = Palancas = Peones
Solera
FIGURA 22.PARTES PRINCIPALES DE PUERTAS DE MADERA DE SOSTENIMIENTO. a) cuadro sin solera.
b) cuadro con solera.
La fortificación de madera se usa mucho en secciones rectangulares y trapezoidales, aunque puede usarse también en secciones de forma poligonal y de formas irregulares. Los elementos de fortificación de madera habitualmente tienen forma circular con diámetros variables que pueden ir de 10 hasta 40 cm. Los cuadros de fortificación pueden colocarse uno al lado del otro (fortificación continua) o a una cierta distancia unos de otros (fortificación espaciada). Esta distancia entre cuadros según documentos encontrados oscila entre 0.5 y 1.2 m; esta distancia depende de los esfuerzos locales, cuando los empujes son muy fuertes se pueden colocar poco espaciados (las distancia es entonces del orden de 0.35 m, en casos más favorables, no se debe sobrepasar nunca de 1.50 m). Cuando empleamos la fortificación espaciada, por lo general, el techo y las partes superiores de los lados, se encaman, es decir, se revisten con tablas, después se rellenan con pedazos de roca los espacios que queden entre la roca y el encamado, lo cual, garantiza una distribución más uniforme de la presión minera y por ende un mejor trabajo de la fortificación.
La fortificación de madera habitualmente es rígida produciéndose solo una pequeña flexibilidad a causa de las deformaciones que experimenta la madera, pero hay ocasiones que se hace útil el empleo de cuadros que posean una cierta flexibilidad constructiva; en tales casos esto se puede obtener por una de las variantes siguientes:
Colocar entre el sombrero y los peones algunos elementos flexibles. Afinar el extremo inferior de los peones para facilitar su penetración en el piso, la cual puede llegar a 10-12 cm si la roca es blanda.
La fortificación de madera con cuadros normales se emplea habitualmente en los casos en que la presión minera actúa relativamente simétrica y no es muy grande, mientras que en aquellos casos en que la presión sea muy grande y el cuadro de fortificación no sea lo suficientemente resistente se hace necesario usar los cuadros reforzados. Una de la formas de refuerzo que se emplea cuando la presión por el techo es grande es la que consiste en colocar un apoyo intermedio que se denomina mainel. Con esto la capacidad portadora de la fortificación se eleva 3 o 4 veces, el problema con este elemento (el mainel), es que estorba mucho en la sección de la excavación. Otras formas de refuerzos que se utilizan, cuando actúa presión minera con el techo y los lados, son aquellos que emplean las vigas de refuerzo por el techo y los lados. En la figura 24 a, b, c, d, e, f podemos observar los diferentes tipos de refuerzo que se emplean en las puertas de madera.
FIGURA 23.TIPOS DE REFUERZO PARA PUERTAS DE MADERA. Las desventajas de la fortificación reforzada de madera son las siguientes: o
Alto consumo de madera.
o
Disminución significativa del área útil de la excavación.
o
Aumento de la resistencia al paso del aire.
Por estas desventajas es que en la mayoría de los casos en que el cuadro normal no sea capaz de resistir la presión minera no se utiliza el cuadro reforzado de madera, sino que se pasa a fortificar con otro material más resistente.
6.1 DISEÑO DE LOS ADEMES DE MADERA. El diseño de los sistemas de ademes de madera sigue ciertos pasos: primero, se hacen esquemas del sistema, después se evalúa la presión por diferentes formulas, después se calculan los momentos, esfuerzos y las secciones que están sometidas a estos momentos y a estos esfuerzos. 6.1.1 MARCOS DE MADERA EN LOS TUNELES. El diseño de los marcos en los túneles consiste en encontrar el tamaño o diámetro apropiado para los capis, palancas y revestimientos. Se hallan cargas aproximadas que actúan sobre el ademe, se hallan momentos flectores o de flexión, después se calculan diámetros aproximados, y se obtiene también resistencias a compresión, después se analizan de acuerdo a la carga diámetros aproximados de encamado o revestimiento (forro). 6.1.2 PARA EL MARCO DE MADERA. El marco de madera trabaja como una viga simple que se apoya en ambos extremos con carga uniformemente distribuida. 6.1.3 PARA EL DISEÑO DEL CAPIZ DE MADERA. La principal consideración es que el cabezal está sujeto a flexión, el momento y esfuerzo se calculan en el archivo adjunto de hoja de Microsoft Excel. 6.1.4 DISEÑO DE LAS PALANCAS. Los postes laterales de los ademes de madera están sometidos a presiones de los lados y a las reacciones en sus extremos. Por lo tanto para su diseño se deberá evaluar los esfuerzos a flexión y compresión. Generalmente en la práctica, para los postes se utilizan los mismos diámetros que del cabezal, pero sin embargo, se verifican con otros cálculos. También se tienen algunas teorías como las siguientes: Postulado de M.M Protodiakonov: sobre el avance horizontal, en su techo se forma una bóveda parabólica de destrozamiento, el peso de las rocas contenidas dentro de esta bóveda es numéricamente igual a la magnitud de la presión subterránea sobre la entibación.
Algunas consideraciones:
Esta teoría da resultados muy aproximados para rocas mullidas y sueltas, pero para rocas compactas por lo general los resultados son inferiores al valor real, pero ha tenido gran acogida en la práctica. No tiene en cuenta los cambios de presión al crecer la profundidad del avance. El carácter muy condicional del coeficiente f que participa en la formula y la carencia de métodos confiables para su determinación.
6.1.5 METODOLOGÍA UTILIZADA Teniendo en cuenta reseñas bibliográficas de sostenimiento de minas se realizarán los cálculos pertinentes para la mina el Bloque. Posteriormente se realizara un caracterización del estado actual en que se encuentra la madera del mina y al final con base en los cálculos realizados y de todas las variables involucradas se hará una evaluación del estado de sostenimiento y un análisis de los resultados, como ultimo se sacaran conclusiones y recomendaciones que la mina deberá tener en cuenta. Cálculos. La bibliografía existente de sostenimiento de minas es muy poca y la mayoría presenta inconvenientes en el manejo de unidades y de traducción al idioma español, debido a esto se escogió los fundamentos teóricos propuestos según Blanco(1993), ya que son de fácil entendimiento de los datos y las unidades se relacionan perfectamente.
Ejemplo “C a l c u l o d e u n a f o r t i f i c a c i ón d e f o r m a t r a p e z o i d a l d e m a d e r a c u a n d o s o l o a c t úa c a r g a p o r e l t ec h o . “
El revestimiento o forrado persigue los siguientes objetivos:
Seguridad: Se deben colocar más juntos m ientras mas débil sea el terreno. Constituir un colchón o encamado amortiguador para repartir uniformemente la presión de los terrenos sobre la puerta e impedir que las asperezas de la roca concentren localmente la presión (o presión de carácter puntual). Agrega una cierta elasticidad al sostenimiento porque está constituido de madera menos resistente que trabaja perpendicularmente a las fibras puede comprimirse y permitir una deformación de los terrenos durante el periodo que sigue a su colocación, esta elasticidad se aumenta llenando con piedras el vacio entre la roca y el forro. Otra característica importante es que el forrado asegura la elasticidad necesaria entre la puerta y las rocas.
7. MÉTODOS MADERA.
PARA ELEVAR LA VIDA DE UTIL DE LA FORTIFICACIÓN DE
La vida de servicio de la fortificación de madera depende de la variedad y calidad de la madera usada, de la humedad bajo la mina y de las condiciones de ventilación. Las medidas para aumentar la vida de servicio de la fortificación de madera son: o
El empleo de madera sana y seca.
o
La garantía de una buena ventilación de la excavación.
o
La existencia de un buen drenaje para las rocas circundantes.
o
En lo posible utilización de antisépticos.
De las vías para aumentar la vida de servicio de la madera la más usada es el tratamiento con antisépticos, lo que aumenta la estabilidad, ante la pudrición y disminuye su capacidad de absorción de agua, a causa de la cual una madera tratada con antisépticos puede durar dos o tres veces más que una sin tratar. El tratamiento con antisépticos consiste en introducir en los poros de la madera una solución química especial (el antiséptico), la cual crea un medio en el que no se pueden desarrollar los hongos. El antiséptico que se emplee debe ser lo suficientemente toxico para los hongos, pero no debe ser perjudicial para el hombre, además debe conservar su toxicidad después de un largo tiempo de tratada la madera, no afectar las propiedades físico-mecánicas de ella y no provocar la corrosión en los elementos metálicos. Existen muchos tipos de antisépticos, sin embargo, para el tratamiento de la fortificación de minas se emplean preferentemente antisépticos en soluciones acuosas como son: Fluoruro de sodio (FNa). Cloruro de zinc (Cl2Zn). Sillico-fluoruro de sodio (Na2S1F6).
8. RESULTADOS Y ANÁLISIS. Se tomaron 23 muestras aleatorias representativas de maderos empleados para la elaboración de puertas de madera, y dio como resultado 13 cm Aproximadamente, en los cálculos hechos para carga que actúa solo por el techo presentamos un factor de seguridad bastante alto (en los cálculos realizados nos dio como resultado(8.6 cm), en la mina es 13 cm aproximadamente, si se presentara carga por techo y por los lados se estaría cumpliendo con las expectativas(en los cálculos realizados(12,65 cm.), en la mina es 13 cm aproximadamente. Para la carga que actúa por techo y por los lados también se cumple con los requerimientos teóricos (12.66 cm) Diámetro de 23 muestras de maderos empleados en la mina.
En la mina principalmente se presenta carga por el techo, lo que nos indica que nos encontramos con un diámetro y longitudes óptimas de capiz de la madera empleada en la mina, todos los resultados se muestran en el archivo adjunto de Excel.
En los cálculos realizados para el forro o revestimiento dio un espesor de 1.24 cm para el caso de la mina, generalmente los entibadores cortan el orillo (o fracciones de madera) del orden de 3 cm. lo que garantiza un revestimiento que cumple las condiciones. Al comparar los resultados y fundamentos hallados teóricamente, y confrontarlos con las condiciones de la mina se cumple de que: EXIGENCIAS TECNICAS: La fortificación empleada en la mina está capacitada para asimilar carga que sobre ella va a actuar. Es estable, ya que conserva la forma que se le proyecta aun con acción de las cargas.
EXIGENCIAS DE PRODUCCION: El estado actual de los niveles y otros sectores de la mina, en conjunto con la implementación de la entibación garantizan las medidas óptimas para:
Ofrecer la menor resistencia posible al paso del aire. Ocupar en la excavación el menor espacio posible. No debe entorpecer los procesos productivos. Está constituida por elementos que se pueden preparar en la superficie y que se pueden instalar por medios fáciles. Asegurar las condiciones de trabajo en la excavación, durante el transcurso de todo el plazo de servicio.
La resistencia de la madera (pino), que es la que empleamos en la mina conjuntamente con el eucalipto, tiene un valor bajo de coeficiente de calidad constructiva, lo que no es bueno para fortificar excavaciones con un plazo largo de servicio, además las condiciones de la mina hacen que la vida útil o de servicio de la madera no sean muy altas, hay que aclarar que en todos los sectores de la mina no se presentan las mismas condiciones por lo que en algunas partes la madera podría ser la mejor opción. Sin embargo en la actualidad en los trabajos principales y de largo plazo de operación se está empleando arcos de acero los cuales poseen propiedades mecánicas muy buenas, los cuales garantizan la preservación de niveles importantes por tiempos muy prolongados. La presencia de agua subterránea es uno de los principales factores que afectan la madera, principalmente en las partes inferiores, en la mina hay pocos sectores donde se observa presencia de aguas subterráneas, pero donde hay presencia de agua se realiza lo posible para extraerla mediante sistemas de bombeo, tratando así de garantizar que el agua me afecte muy poco a el sistema de entibación.
Como material natural que es, cualquier tipo de madera presenta defectos naturales, por eso en la mina se trata de adquirir madera que se encuentre en optimas condiciones para la entibación, que se encuentre en condiciones de secado favorables y que la madera sea lo más uniforme posible. En recorridos realizados en la mina se evidencia poca presencia de hongos que afectan la madera, excepto en los retornos de aire viciado donde se presenta una alta humedad relativa lo que me facilita la existencia de hongos. El tipo de fortificación empleado en la mina es de tipo continuo (Los cuadros de fortificación se colocan uno al lado del otro) ver foto, por recomendaciones teóricas se deben colocar con una distancia de separación desde 0.5 m y si hay gran presencia de presiones y esfuerzos desde 0.35 m con una distancia máxima de separación de 1.2m -1.5m , en la mina se ha invertido mucho en este tipo de fortificaciones de madera; para así garantizar la seguridad de todo el personal, en los niveles y otros sitios de trabajo. Adicionalmente en el techo y las partes superiores de los lados, se encaman, o sea que se les colocan forros o revestimientos cuyo objetivo principal es constituir un colchón o encamado amortiguador para repartir uniformemente la presión de los terrenos sobre la puerta e impedir que las asperezas de la roca se concentren localmente la presión (o presión de carácter puntual) y dar también una cierta elasticidad al sostenimiento porque está constituido de madera menos resistente que trabaja perpendicularmente a las fibras, puede comprimirse y permitir una deformación de los terrenos durante el periodo dinámico que sigue a su colocación, esta elasticidad se aumenta llenando con piedras el vació entre la roca y el forro, permitiendo así que el forrado asegure la elasticidad necesaria entre la puerta y las rocas, garantizando más seguridad para el personal que labora en la mina.
Tipo de sostenimiento o fortificación continúa. En la mina generalmente en los niveles se utilizan la fortificación de madera con cuadros normales debido a que la presión minera actúa relativamente simétrica, mientras que en los tambores por seguridad del personal que labora en estos lugares se emplean cuadros de fortificación reforzados generalmente con tres patas (mainel).
En donde sea posible es recomendable canalizar el agua subterránea, para así garantizar que no interactué en la parte inferior de la entibación de madera.
Canalización o drenaje de aguas en el interior de la mina. 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES o
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La madera que se seca adecuadamente dura más que la verde, la descortezada más que la que conserva la corteza, la madera que se conserva constantemente en zonas bien ventiladas puede durar indefinidamente, la madera en cambio en una atmósfera húmeda y caliente se descompondrá rápidamente, la madera sometida alternativamente a atmósferas húmedas y secas se estropea rápidamente, la madera sometida a efectos biológicos tiene vida útil corta. La especie influye en las características de secado, especialmente en función de densidad, generalmente, la madera de baja densidad se seca en forma relativamente rápida, en cambio la madera de alta densidad se seca lentamente La vida útil de una madera está determinada, de una parte, por aspectos inherentes a su naturaleza, y de otra, por las condiciones especiales de servicio; la durabilidad depende también de las condiciones de utilización por ejemplo, la madera será más susceptible a ser atacada en condiciones cálidas y húmedas que en climas fríos y secos. En estudios realizados en trabajos de grado de maderas en la región se afirma que gran porcentaje de madera que llega a la región es muy joven y son más susceptibles a el ataque de hongos e insectos y además tienen menos propiedades mecánicas que la madera adulta, además presenta un alto contenido de humedad (>30%).
La madera en la mina constituye un sistema de fortificación bueno excepto en lugares donde circulan las corrientes de aire viciado ya que se presenta un alto contenido de humedad y me favorece la presencia de hongos, para estos lugares actualmente se están destinando otro tipo de fortificación como lo son los arcos de acero que hasta ahora han respondido muy bien a esfuerzos y presiones en la mina.
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Para mejorar la condición de la madera que se presentan en la mina se d ebe construir un lugar especial para así facilitar el control de humedad y garantizar unas condiciones de secado optimas contribuyendo así a mayor durabilidad de esta recurso en la mina El lugar ideal para el almacenamiento de la madera debe ser un terreno alto, razonablemente parejo, con buen desagüe y que no esté rodeado por árboles altos o edificios que me puedan propiciar ambientes más húmedos y que obstaculizan notablemente la entrada de luz solar.
Un seguimiento mediante el registro y control de los lugares además del tipo de fortificación empleado, pueden ayudar a tomar buenas decisiones a la hora de escoger la mejor decisión en sostenimiento.
