Excavacion en minas de carbon.docx

UNI VERSI VERSI DAD NACIONAL DE CATAMARCA F ACULTAD DE TECNOLOGIA TECNOLOGIA Y CI ENCIAS APLI APLI CADAS DEPARTAM DEPARTAM ENTO DE INGENI ERIA DE MI NAS

EXPLOTACI ÓN DE M I NAS I

E x cavació cavaci ón en mi n as su bterr bter r án eas de carbó car bón n Con espe especi cial al consi consi de derr ación ación en l a en en ti baci baci ón

AÑO: 2014

Excavación en minas de carbón Índice: INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………….2 INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………….2 Generalidades……………………………………………………………………………………………………… Generalidades………………………………………………………………………………………………………..…2 LABORES DE ACCESO………………………………………………………………………………………………. ACCESO……………………………………………………………………………………………….3 3 MECANIZACIÓN DEL ARRANQUE…………………………………………………………………………… ARRANQUE……………………………………………………………………………..5 ..5 ARRANQUE DEL CARBÓN………………………………………………………………………………………… CARBÓN…………………………………………………………………………………………5 5 FORTIFICACIÓN EN MINAS DE CARBÓN…………………………………………………………………… CARBÓN……………………………………………………………………8 8 La madera como material de sostenimiento en las minas …………………………………….8 …………………………………….8 Sostenimiento con madera en los frentes largos………………………………………………………………… largos ………………………………………………………………….9 .9 Presión en las frentes largas………………………………………………………………………………………………… largas………………………………………………………………………………………………….9 .9 Diseño de los ademes de madera en las frentes largas……………………………………………………… largas………………………………………………………...12 ...12

El acero como material de sostenimiento en las minas ………………………………………… …………………………………………..15 ..15 Características ingenieriles del acero……………………………………………………………………………… acero ………………………………………………………………………………..……15 ……15 Arcos de acero……………………………………………………………………………………………………………………… acero………………………………………………………………………………………………………………………18 Diseño de arcos rígidos………………………………………………………………………………………………………. rígidos………………………………………………………………………………………………………...18 ..18 Diseño de arcos (Moll) articulados……………………………………………………………………………………… articulados………………………………………………………………………………………..20 ..20 Diseño de arcos cedentes……………………………………………………………………………………………………..21 cedentes……………………………………………………………………………………………………..21 Sostenimiento con acero en los frentes largos…………………………………………………………………… largos …………………………………………………………………….24 .24 Postes o estemples de fricción…………………………………………………………………………………………… fricción……………………………………………………………………………………………..25 ..25 Postes hidráulicos……………………………………………………………………………………………………………… hidráulicos………………………………………………………………………………………………………………...27 ...27 Cabezales o montantes articulados…………………………………………………………………………………… articulados……………………………………………………………………………………...28 ...28 Diseño de postes y cabezales…………………………………………………………………………………………… cabezales……………………………………………………………………………………………..…29 Ademes mecanizados o soportes energizaos…………………………………………………………………… energizaos……………………………………………………………………...31 ...31 Componentes de los ademes mecanizados……………………………………………………………………… mecanizados ………………………………………………………………………....35 ....35 Diseño de los ademes mecanizados…………………………………………………………………………………… mecanizados……………………………………………………………………………………..37 ..37 Ventajas de los ademes mecanizados……………………………………………………………………………… mecanizados……………………………………………………………………………….....44 .....44 Desventajas de los ademes mecanizados…………………………………………………………………………… mecanizados ……………………………………………………………………………..44 ..44 CONCLUSIÓN………………………………………………………………………………………………………………………..45 .45 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………………………………………. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………………………………………….46 46

Explotación de Minas I

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Excavación en minas de carbón Índice: INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………….2 INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………….2 Generalidades……………………………………………………………………………………………………… Generalidades………………………………………………………………………………………………………..…2 LABORES DE ACCESO………………………………………………………………………………………………. ACCESO……………………………………………………………………………………………….3 3 MECANIZACIÓN DEL ARRANQUE…………………………………………………………………………… ARRANQUE……………………………………………………………………………..5 ..5 ARRANQUE DEL CARBÓN………………………………………………………………………………………… CARBÓN…………………………………………………………………………………………5 5 FORTIFICACIÓN EN MINAS DE CARBÓN…………………………………………………………………… CARBÓN……………………………………………………………………8 8 La madera como material de sostenimiento en las minas …………………………………….8 …………………………………….8 Sostenimiento con madera en los frentes largos………………………………………………………………… largos ………………………………………………………………….9 .9 Presión en las frentes largas………………………………………………………………………………………………… largas………………………………………………………………………………………………….9 .9 Diseño de los ademes de madera en las frentes largas……………………………………………………… largas………………………………………………………...12 ...12

El acero como material de sostenimiento en las minas ………………………………………… …………………………………………..15 ..15 Características ingenieriles del acero……………………………………………………………………………… acero ………………………………………………………………………………..……15 ……15 Arcos de acero……………………………………………………………………………………………………………………… acero………………………………………………………………………………………………………………………18 Diseño de arcos rígidos………………………………………………………………………………………………………. rígidos………………………………………………………………………………………………………...18 ..18 Diseño de arcos (Moll) articulados……………………………………………………………………………………… articulados………………………………………………………………………………………..20 ..20 Diseño de arcos cedentes……………………………………………………………………………………………………..21 cedentes……………………………………………………………………………………………………..21 Sostenimiento con acero en los frentes largos…………………………………………………………………… largos …………………………………………………………………….24 .24 Postes o estemples de fricción…………………………………………………………………………………………… fricción……………………………………………………………………………………………..25 ..25 Postes hidráulicos……………………………………………………………………………………………………………… hidráulicos………………………………………………………………………………………………………………...27 ...27 Cabezales o montantes articulados…………………………………………………………………………………… articulados……………………………………………………………………………………...28 ...28 Diseño de postes y cabezales…………………………………………………………………………………………… cabezales……………………………………………………………………………………………..…29 Ademes mecanizados o soportes energizaos…………………………………………………………………… energizaos……………………………………………………………………...31 ...31 Componentes de los ademes mecanizados……………………………………………………………………… mecanizados ………………………………………………………………………....35 ....35 Diseño de los ademes mecanizados…………………………………………………………………………………… mecanizados……………………………………………………………………………………..37 ..37 Ventajas de los ademes mecanizados……………………………………………………………………………… mecanizados……………………………………………………………………………….....44 .....44 Desventajas de los ademes mecanizados…………………………………………………………………………… mecanizados ……………………………………………………………………………..44 ..44 CONCLUSIÓN………………………………………………………………………………………………………………………..45 .45 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………………………………………. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………………………………………….46 46


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Excavación en minas de carbón Introducción: El objetivo de este informe es describir como fue evolucionando o mejorando en el tiempo los métodos de arranque, transporte y entibación en la minería del carbón. Más precisamente se puso énfasis en los diferentes métodos de entibación en las minas de carbón. Desde sus primeros comienzos, con la utilización de la madera como material de sostenimiento, hasta la actualidad con el uso del acero y la mecanización de las excavaciones del carbón, es decir, mediante la utilización de la entibación marchante. Este último sistema fue posible a partir de la evolución de los estemples hidráulicos, con postes y cabezales incorporados en una sola unidad a los transportadores blindados para avanzar simultáneamente con el corte en la línea de frente. La mecanización de las operaciones de arranque, transporte y entibación ha logrado un gran avance en la explotación de las minas de carbón, esto ha permitido facilitar el trabajo humano, un mayor rendimiento por hombre turno, una mayor recuperación y una producción segura o un mejor control del techo, con el inconveniente de requerir una elevada inversión inicial, un alto costo de mantenimiento y mano de obra calificada.

Generalidades: El carbón es una masa sedimentaria combustible formada por la acumulación regular y posterior transformación de restos vegetales en lugares característicos llamados cuencas. El proceso físico químico de transformación de los vegetales en carbón comprende los siguientes pasos: desintegración, descomposición, turbificacion, y putrefacción. Los yacimientos de carbón, según como se hayan originado pueden clasificarse de la siguiente manera: Autóctonos: son yacimientos que se han formado en el mismo lugar de existencia de la materia vegetal que le dio origen. Es la acumulación llamada “In situ”. Alloctonos: son los yacimientos formados a partir de vegetales que se han acumulado en un lugar distinto al de su origen, es decir que han sufrido un transporte (por el viento o por el agua), desde el lugar de crecimiento. Una característica prominente de los yacimientos de carbón es su gran extensión areal y la regularidad del espesor y de los caracteres de ocurrencia en áreas extensas. Un método de explotación debe satisfacer a ciertas exigencias básicas como: seguridad, economía y menor pérdida posible de sustancia útil. Para esto a la hora de seleccionar un método de explotación se debe tener en cuenta los siguientes factores del yacimiento: - Forma: Los carbones se encuentran en mantos generalmente regulares, pero que pueden estar fallados o plegados, etc. - Potencia: Según su potencia los mantos de carbón se dividen en delgados hasta 1,3 m; de potencia media entre 1,3 y 3,5 m; y potentes, mayores de 3,5 m. - Buzamiento: Los mantos pueden ser poco inclinados hasta 25°; inclinados 25° - 45°; y de buzamiento fuerte, mayor de 45°.


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Estructura: Los mantos pueden ser simples o compuestos, con intercalaciones de estéril que interfieren su arranque y aumenta el contenido de cenizas. Propiedades mecánicas del carbón: La resistencia del carbón tiene gran importancia desde el punto de vista de sus posibilidades de arranque por medios mecánicos. El grado de resistencia y de dureza de las rocas vecinas así como la propiedad de derrumbarse en grandes bloques o en pequeños, o asentarse sin rotura, tiene gran importancia sobre la elección del método de explotación. Cuando la pendiente es reducida tienen mayor importancia las rocas del techo y, muchas veces, debe tenerse en cuenta la particularidad de hincharse del piso (arcillas bentoníticas). Profundidad: Con el aumento de la profundidad a que se encuentra el manto, aumentan las presiones de las rocas del techo, crece la presión sobre la fortificación y generalmente aumenta el contenido de gas. También aumenta la temperatura de las rocas. Abundancia de grisú y de monóxido de carbono: La abundancia de estos gases tiene gran importancia en la elección del método de explotación. Los mantos sujetos a desprendimientos instantáneos deben ventilarse por corrientes independientes o por sistemas especiales de captación del gas. Abundancia de agua: Las rocas embebidas de agua se hacen menos estables y adquieren tendencia a hincharse. La presencia de agua en los lugares de trabajo disminuye el rendimiento de los obreros y aumenta la posibilidad de accidentes. Muchas veces es necesario desagotar el yacimiento antes de la explotación y durante ella. Incendios: El numero de estos aumenta con la potencia de los mantos y si el carbón esta fracturado también se incrementa la posibilidad de autoinflamación. Mecanización: La mecanización tiene una gran influencia sobre el método de explotación. Las cortadoras, cepillos, rozadoras, transportadores de rastras y la fortificación hidráulica han provocado cambios enormes en los métodos de arranque utilizados para las mismas condiciones naturales con anterioridad.

Labores de acceso: Los esquemas de planeamiento de labores de acceso dependen de las condiciones geológicas específicas de cada yacimiento. La forma del yacimiento, así como su ubicación en el espacio tiene mucha importancia en la elección y ubicación de la labor de acceso. Mientras los yacimientos metalíferos pueden tener formas variadas- vetiformes, lenticulares, matos, masas irregulares, etc., los yacimientos de carbón son siempre manteados, y su potencia, rumbo y buzamiento no sufren grandes variaciones a lo largo de extensas distancias, a no ser que hayan estado afectados por movimientos tectónicos o plutonismo posterior a su formación. El acceso a los yacimientos de carbón, al igual que a los metalíferos puede hacerse por socavón, por pique inclinado y por pique vertical. No se conocen aplicaciones en estos yacimientos del acceso en rampa en espiral. El acceso por socavón se utiliza cuando el yacimiento aflora en una zona de topografía irregular (relieve montañoso) y según sea la disposición de los mantos respecto del relieve, el socavón se


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Excavación en minas de carbón abre perpendicularmente, en diagonal o en dirección con el manto. En este caso el socavón puede ser en el manto o fuera de él, ya sea en el piso o fuera de él, dependiendo esto de las características físico – mecánicas de las rocas encajantes, del método de explotación, de la conveniencia o no de dejar pilares, etc. En los yacimientos metalíferos, la mena por lo general es más dura y de mayor peso específico que el carbón; además los hastiales son de buena calidad. Por lo tanto se tienen condiciones más favorables para la apertura de las labores de acceso. En cualquier caso, luego de explotadas las reservas “colgadas”, si el buzamiento es chico, los mantos se preparan para su explotación por chiflones, y si es grande, deberán hacerse pozos ciegos y transversales. Fig. 1

Figura 1

El acceso por socavones es simple y económico y garantiza una explotación barata. El acceso por piques inclinados, planos inclinados, rampas, chiflones, se usa cuando el yacimiento aflora en terreno llano y el buzamiento es reducido, menor de 18°, para extracción con cinta transportadora. También se utiliza cuando el manto es horizontal y tiene un cierto escape, aunque en este caso el acceso también puede ser por pique vertical. Fig. 2. La elección de la labor de acceso, como en el caso de los minerales metalíferos, depende puramente de consideraciones económicas. El acceso por piques verticales se utiliza en los yacimientos que se encuentran en terrenos de topografía regular (relieve llano) y cuando el buzamiento es superior a 25° (limite de aplicabilidad del transporte con cintas). El transporte en carriles es de poca capacidad. Dada la poca pendiente, que en general, tienen los yacimientos de carbón, cuando se trata de acceso mediante pique vertical, este se ubica en el centro del yacimiento, según el rumbo y el buzamiento, dejando colgadas buena parte de las reservas. El acceso se complementa con transversales que son correspondientes con los niveles que se explotan sucesivamente en forma descendente. Fig. 3.


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Excavación en minas de carbón

Figura 2

Figura 3

Los yacimientos de carbón, por razones de ventilación, se abren por dos o más piques o socavones: uno principal de extracción por skips o trenes, y de entrada de aire (aire fresco), y otro auxiliar de retorno de ventilación (aire viciado), provisto de ventiladores y de jaulas para el movimiento del personal. Las grandes minas de carbón, con considerables emanaciones de grisú, requieren para su ventilación grandes cantidades de aire, del orden de 300 – 400 m3/s, por lo que se abren por tres o más pozos. El pozo principal de extracción debe ubicarse en el centro del campo minero, para tener, como se dijo, una extracción equilibrada.

Mecanización del arranque: Las diferentes operaciones de explotación en los yacimientos de carbón, comúnmente se realizan separándolas en tareas específicas, como puede ser: 1) Arranque del carbón; 2) Fortificación; 3) Desplazamiento del transportador blindado; 4) Control del techo; etc. El transporte del carbón se hace simultáneamente con el arranque. La repetición ordenada en el tiempo de los grupos de tareas mencionadas constituye un ciclo, y el término de duración de un ciclo puede ser de un turno, dos, etc., según sea el equipamiento disponible y el planograma adoptado. Hoy en día, con los quipos modernos de fortificación marchante que incorpora a ella el transportador blindado y la maquina cortadora o de arranque, la realización de las tareas mencionadas se simplifica, pudiendo efectuarse varias tareas en forma simultánea. Generalmente, en un día con tres turnos de 8 horas cada uno, la planificación que se adopta es la de destinar dos turnos de arranque y uno a la conservación del frente.

Arranque del carbón: En los yacimientos poco inclinados y de poca y mediana potencia – como es el caso de aplicación de Frentes Largos - , el arranque del carbón puede efectuarse por los siguientes métodos:


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Excavación en minas de carbón -

Martillos picadores Explosivos Rozadoras Cepillos

Martillos picadores: Un avance importante en la explotación de las minas de carbón se ha producido con la introducción del aire comprimido. Aquí comienza el reemplazo de los picos comunes como los martillos picadores, cuyo uso se generalizo en la década del 30. Hoy en día el rendimiento con martillos se considera bajo, además de caro, porque requiere de un cierto adiestramiento del picador. En la actualidad, el empleo de los martillos picadores a quedado reducido a los trabajos de preparación (apertura de nichos) y, en explotación, a la complementación del trabajo de los cepillos y rozadoras, arrancando el carbón que queda en contacto con el techo, fuera del alcance de las maquinas. Es un instrumento de percusión, de movimiento alterno y cuyo útil es una pica. El martillo picador (figs. 4 y 5) comprende el cilindro (a), el pistón (b), la pica (c), el portapica (d) y la empuñadura (e), que contiene el órgano de distribución de aire comprimido.

Figura 4 Figura 5

Explosivos: Cuando se utiliza este tipo de arranque, los explosivos utilizados son los de seguridad anti grisú . Los explosivos de seguridad, en general son los que no presentan peligros de explosión en masa por la acción de un choque o una combustión. En las minas con grisú y polvo de carbón en suspensión los explosivos deben ser de seguridad anti grisú. La diferencia entre un explosivo de seguridad y uno de seguridad anti grisú está en que éste evita o disminuye el peligro de explosión del grisú y del polvo. Los ensayos tendientes a determinar el grado de influencia de distintas variables de los explosivos, en la explosión del grisú y del polvo, dieron los siguientes resultados: 1) Un explosivo de temperatura de explosión inferior a 2200°C no inflama el grisú. Para tener un adecuado margen de seguridad, los reglamentos de los distintos países establecen


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Excavación en minas de carbón temperaturas de explosión menores a la mencionada. En Francia se exige una temperatura máxima de explosión de 1500°C para los explosivos anti grisú. 2) Sustancias tales como el salitre (KNO3), o las sales alcalinas impiden la reinflamación de los gases combustibles y aumentan la seguridad contra el grisú. Estas sustancias se llaman inhibidores. 3) También tiene influencia en la seguridad frente al grisú y los polvos, la longitud de los taladros, la cantidad de carga y el retacado. 4) Los disparos con retardo pueden provocar la explosión de los polvos resultantes de los retardos anteriores. Esto ha dado origen a los explosivos de seguridad reforzada , que se caracterizan por tener una mayor proporción de agentes inhibidores que los simplemente anti grisú. Una forma de aplicación de los explosivos en la explotación del carbón es combinándolos con las rozadoras de cadena. Estas cortan en la base un espesor de 10 a 15 cm y el carbón que queda colgado se arranca con explosivos. Rozadoras: El uso cada vez más amplio del aire comprimido en las minas de carbón permitió – hacia la década del 30 – el desarrollo de las primeras rozadoras, las que a pesar del gran adelanto que significaban, no estaban exentas de dificultades. En primer lugar tenían el inconveniente del bajo rendimiento de los motores de aire comprimido, y luego, por la gran cantidad de polvo que producía la evacuación del aire. La perfección de estas maquinas ha venido con la introducción de la energía eléctrica, la de las puntas de carburo de tungsteno con forma de plaquitas, etc. Hay dos tipos de rozadoras, las de cadena y las de tambor o también conocidas como “cortadoras”, pudiendo ser de uno o dos tambores. Pueden mencionarse como inconveniente de las rozadoras el hecho de que cuando el carbón es blando producen mucho fino, pero este inconveniente está siendo salvado últimamente con la aplicación cada vez mayor que tiene este producto en las usinas térmicas. Los fabricantes de estas maquinas, tanto en Inglaterra como en Alemania, fuertemente apoyados por la industria minera introducen continuas mejoras en las rozadoras, aumentando constantemente su campo de aplicación. Actualmente, el uso de las rozadoras está muy generalizado. Como se dijo antes, las rozadoras de cadena se utilizan con mucha frecuencia en combinación con los explosivos. El ancho de corte de las rozadoras es de alrededor de 0,60 m y la velocidad entre 4 a 5 m/seg. Cepillos: Han aparecido en el mercado en el año 1942, y se utilizan, al igual que las rozadoras, incorporadas al transportador blindado o Panzer. El cepillo, a pesar de sus ventajas cuando el carbón es blando, n ha desplazado por completo a las rozadoras, que tienen su mejor campo de aplicación cuando el


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Excavación en minas de carbón carbón es firme. Por la razón mencionada sobre la cualidad del carbón es que son más comunes las rozadoras en Inglaterra, y los cepillos en Alemania. El cepillo y algunas rozadoras arrancan el carbón en ambos sentidos, mientras que otras cortadoras lo hacen solamente en uno. La velocidad de corte de los cepillos es de 0,4 m/seg y el ancho variable entre 5 a 10 cm.

Fortificación en minas de carbon: Generalidades: Para la fortificación o sostenimiento en las minas de carbón, en un principio, y hasta hace relativamente pocos años, se utilizaba la madera. El uso de este elemento requería gran habilidad por parte del entibador en el manejo del hacha, de la masa, etc. Además, el éxito de la entibación dependía en buena medida de su apreciación personal. La madera es menos resistente que el metal y tiene el inconveniente de que con ella se pasa rápidamente de la deformación elástica a la rotura. Además, la madera se utiliza, por lo general, una sola vez, por ser muy difícil su recuperación, siendo por otra parte, cada vez más cara. Solo se utiliza, actualmente en unos pocos métodos de explotación de capas verticales. Existe una zona muy amplia en explotaciones inclinadas y otra más restringida en horizontales, en las que el metal difícilmente puede reemplazar a la madera, bien a causa de su elevado peso, bien por las dificultades de recuperación, o bien por el hecho de que es difícil ajustarle en potencias demasiado variables. A partir del año 1940 han hecho su aparición los arcos metálicos normalizados para la fortificación de galerías y los puntales metálicos o mampostas de fricción para el sostenimiento de los frentes de arranque. La mamposta o puntal hidráulico ha aparecido en el año 1950, esta tiene ventajas sobre la de fricción especialmente por conseguir una presión regular y constante, aunque requiere mayores cuidados, una reparación especializada y un costo más elevado. Sin embargo, más allá de sus ventajas no llego a utilizarse de manera amplia, porque antes de que esto ocurriera, los fabricantes empezaron a diseñar la fortificación hidráulica autodesplazante (marchante).

La madera como material de sostenimiento en las minas: La madera, es el material de entibación más accesible y barato, dotado de alta resistencia

mecánica al par de un peso reducido, elasticidad y buena maquinabilidad. Los defectos mayores de la madera son su escaso plazo de servicio debido a la putrefacción, y su combustibilidad. Para el entibado de mina se emplea la madera de pino, abeto, alerce y pino albar, tanto en rollos como aserrado. El material en rollos comprende los estemples (ademes) de 0,5 a 4,5 m de largo y de 11 a 39 cm de diámetro. La razón para considerar a la madera como material de ademe es que se usa aún en minas a pequeña escala tanto de carbón como metálicas. La madera es un material de peso ligero, fácilmente transportable que se maneja con facilidad en los sistemas de ademe.


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Excavación en minas de carbón Sostenimiento con madera en los frentes largos: Uno de los métodos de explotación de las minas de carbón es el de Tajos Largos (frentes largas), por lo tanto, se considerara en el diseño de los ademes de madera, para las minas de carbón, el cálculo de la presión del terreno sobre las frentes largas mediante las diferentes formulas existentes. Presión en las frentes largas: La sección transversal de la superficie de la frente larga con ademes de madera se muestra en la figura 6. De acuerdo con la teoría del arco de presión, la carga principal de los estratos que se encuentran arriba de la superficie de la frente larga se traslada al carbón en frente de la superficie como “contrafuerte delantero”. En la cara de la frente larga hay una “descompresión”, o “relajamiento” - en esta zona solo se deja que el ademe soporte la carga del techo inmediato (falso). Si el techo inmediato es muy débil, se hunde con facilidad y, por expansión, ocupa el relleno de material de desechos que soporta el techo principal. Este es el caso con la mayor parte de las frentes largas que se hunden. Si el techo inmediato no se hunde se ordena una atención especial para hacerlo caer y que forme el relleno de material de desechos. Si esta distancia sin hundirse es grande el peso sobre el ademe de la superficie de la frente es elevado; en tales casos, se usan sistemas de “relleno” que ocupen completamente el espacio vacío por medio de procedimientos neumáticos o hidráulicos que permiten que el techo inmediato se deforme sin fracturarse. La presión se calcula según las condiciones del techo inmediato. En la figura 6 la altura del techo inmediato se da por la formula siguiente:

            En donde: h = Altura del techo inmediato (falso), en metros. K = Factor de expansión del techo inmediato. m = Espesor del manto, en metros. E = Expansión del techo inmediato. = Densidad del techo inmediato (sólido), en toneladas por metro cúbico.

 

= Densidad del techo inmediato (fracturado), en toneladas por metro cúbico. = Presión del techo inmediato, en toneladas por metro cuadrado.


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Figura 6: Sección transversal de una frente larga y altura del techo inmediato que muestra el sistema de ademe. 

Formula de Siska:

Según Siska, la presión en el ademe se determina mediante la fórmula siguiente, que se presenta en la figura 7.

                       En donde:



= Presión del techo sobre el ademe, en toneladas por metro cuadrado. h = Altura del techo inmediato (falso), en metros. K = Factor de expansión del techo inmediato. m = Espesor del manto, en metros. E = Expansión del techo inmediato. = Densidad del techo inmediato (sólido), en toneladas por metro cúbico. = Factor de hundimiento. = Factor de relleno; hundimiento = 1.0: relleno a mano = 0.7; relleno neumático = 0.5; relleno hidráulico = 0.12. = Factor de autoapoyo del techo inmediato.

  


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Excavación en minas de carbón Vt = Volumen del techo ademado inmediato, en metros cúbicos. Va = Volumen del techo inmediato en voladizo, en metros cúbicos. V1 = Volumen del techo inmediato en un frente sin ademes, en metros cúbicos. V2 = Volumen del techo ademado inmediato y en voladizo, en metros cúbicos. l = Anchura de la frente ademada, en metros. x = Anchura de la frente sin ademes, en metros. = Angulo de ruptura, en grados; se toma a partir de la vertical. me = Espesor relativo del manto, en metros. md = Espesor del relleno, en metros.



Figura 7: Presiones en los ademes según Siska. 

Formula de Terzaghi:

Determina otro método para calcular la presión en la frente larga. La formula se diseñó para los cálculos de la presión en los túneles de poca profundidad, cuando la roca del techo es de material flojo (suelto). La fórmula que se adoptó para los esfuerzos de la frente larga se muestra en la figura 8.

         


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Figura 8: Presiones sobre las frentes largas según estimaciones de Terzaghi.

En donde:

  

= Presión en los ademes, en toneladas por metro cuadrado. m = Espesor del manto, en metros. = Densidad del techo inmediato (sólido), en toneladas por metro cúbico. B = Mitad de la anchura de la frente sujeta a carga, en metros. B = Mitad de la anchura real de la frente, en metros. = Angulo de fricción interna de la roca del techo, en grados. K = Coeficiente empírico, puede tomarse como k =1. Diseño de los ademes de madera en las frentes largas: El diseño de los sistemas de ademes de madera sigue ciertos pasos: 1. Se elaboran los esquemas del sistema y se dibujan los modelos estáticos simples. 2. Se evalúan las presiones ejercidas por el terreno con diferentes formulas (Terzaghi, Siska, etc.) 3. Se calculan los diagramas de momentos máximos, esfuerzos cortantes máximos, y las secciones que estarán sometidas a estos momentos y cortantes, y se determinan las dimensiones adecuadas. 4. Verificación de los esfuerzos permisibles para las dimensiones calculadas y para el tipo especifico de madera a emplear. Si no se satisfacen las condiciones de seguridad, se deberá escoger valores de las dimensiones más grandes, repitiendo los cálculos hasta que los valores más bajos de los esfuerzos permitan una aplicación segura. Los ademes que más frecuentemente se utilizan en las frentes largas son cabezales o travesañas que se colocan paralelamente a la frente con tres o cuatro postes que los soportan, como se indica


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Excavación en minas de carbón en las figuras 9 y 10. Se supone que los cabezales trabajan como vigas continuas con carga y que no existe hundimiento en los apoyos. El diseño debe considerar los momentos máximos y evaluar la capacidad del diámetro del cabezal para tomar los momentos de flexión dentro del esfuerzo permisible para la madera. Después se verifican los esfuerzos cortantes y los esfuerzos en el piso (o suelo).

Figura 9: Diseño de los cabezales en la frente larga con tres postes.

Figura 10: Diseño de los cabezales en la frente larga con cuatro postes.

Formulas:


                 13


                                                             En donde:

     

= Esfuerzo permisible de flexión para la madera, en toneladas por metro cuadrado. = Esfuerzo permisible de flambeo en la madera, en toneladas por metro cuadrado. = Esfuerzo en el piso, en toneladas por metro cuadrado. = Presión del techo en las frentes largas, (se puede tomar el valor más alto para tener el diseño más seguro). Se obtiene con la formula de Terzaghi o Siska. = Esfuerzo de compresión paralelo a las fibras de los postes, en toneladas por metro cuadrado qt = Carga uniforme sobre el cabezal, en toneladas por metro. = Distancia entre los postes del cabezal, en metros. db = Diámetro de los cabezales y de los postes, en metros. a = Distancia entre los cabezales, en metros. =Factor de flambeo. Aspectos característicos de los ademes de madera: -

-

El cabezal en los ademes de madera está sujeto al esfuerzo de flexión. 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, en su diseño, se deberán evaluar los esfuerzos de compresión y de de flexión. En la práctica se utiliza para los postes los mismos diámetros que tienen los cabezales. Los calces o cuñas se diseñan de una manera similar a los cabezales. Por lo general, los calces que se cortan longitudinalmente de los postes de 12 a 18 cm son adecuados.


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Excavación en minas de carbón El acero como material de sostenimiento en las minas: El acero es uno de los materiales de entibación más perfectos, dotado de alta resistencia mecánica

y resistencia al fuego, y que soporta bien los esfuerzos de la tracción. Para la fortificación de las labores subterráneas, se utilizan los aceros al carbono Cr. 3 y Cr. 5 en forma de distintos perfiles laminados; vigas en doble T y en U, vigas en media caña, carriles, acero angular y redondo para armaduras, etc. Para las uniones de los elementos de entibación se utilizan asimismo piezas de sujeción metálicas: pernos, clavos, espigones, tornillos, etc. Los defectos del metal como material de entibación, son su corrosibilidad bajo la acción de la humedad, gases y aguas de mina acidas, y su costo alto. La protección del metal contra la corrosión en las condiciones mineras se lleva a efecto aplicando en la superficie del metal pinturas anticorrosivas, barnices, esmaltes, como asimismo mortero de cemento y arena. Las cualidades del acero como material de sostenimiento lo han llevado a desplazar a la madera en muchas minas, especialmente en las de carbón en donde las galerías se mantienen abiertas hasta 10 años como galerías de arrastre y de retorno del aire para la ventilación. Características ingenieriles del acero: Estructura química: Químicamente, el acero es una aleación de hierro y de carbono. Existen algunos materiales como el fósforo (0.01- 0.03%) y el azufre (0 01 - 0.06%), que se presentan como impurezas. Otros materiales, como manganeso, silicio, níquel, cromo y molibdeno se incorporan en porcentajes variados para formar “aleaciones especiales” que reúnen diversas propiedades. Para los ademes de acero en las minas, se usa un acero común de resistencia 37 - 52 y que satisface la mayoría de las especificaciones estructurales. Las aleaciones se utilizan para satisfacer condiciones especiales. Relación esfuerzo – deformación: La figura 11 muestra una curva típica de esfuerzo-deformación. Esta es la curva común en donde el modulo de elasticidad de Young se toma como E = 2.1 X10 kg/cm2. La proporción lineal continúa hasta el punto 0,2% de deformación. Después de este punto, tiene lugar un espacio de “fluencia” con deformaciones constantes, y la falla sucede después de que se han alcanzado estos límites.

Figura 11: Curva esfuerzo deformación del acero.

Las características que se deben considerar en los elementos estructurales de un ademe o de una fortificación son:


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Excavación en minas de carbón Perfil del material: La resistencia de una viga es proporcional a su perfil (área de su sección transversal). El peso y el valor (costo) de la viga son también proporcionales al área de la sección. El uso de perfiles pesados tiene ciertas limitaciones en las minas que necesitan de materiales ligeros a medianamente pesados. El área de la sección y el peso de las vigas I DIN 21541 se dan en la tabla 1. Las secciones transversales Toussaint – Heinzmann (T – H) se tabulan en la figura 12 y en la tabla 2.

Tabla 1: Características de las vigas I de DIN 21541.

Figura12: Vista en perspectiva de los perfiles T-H.


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Tabla 2: Características de los perfiles T-H.

L os perfiles de acero empleados en las explotaciones mineras se clasifican preferentemente por su resistencia a toda clase de cargas, así como por la posibilidad de enderezarlos posteriormente. La resistencia se calcula según las leyes de la estática, en primer lugar independientemente del material empleado, repartiendo las masas respecto a los dos ejes principales que se suponen trazados en el perfil. El eje de las x es horizontal, y el de las y, vertical (como se observa en la figuras anteriores de los perfiles I y T-H). Los perfiles pueden estar sometidos a esfuerzos de compresión, torsión, pandeo y flexión. Modulo de sección: Los perfiles se caracterizan por su módulo resistente (o módulo de sección) alrededor de los ejes del perfil, es decir, por Wx y Wy. En la mayoría de los perfiles, Wx es mucho mayor que Wy (como se observa en la tabla 1 para los perfiles I de DIN 21541) ya que aquéllos están más cargados en dirección al centro de la galería que según el eje de la misma. Además se puede prevenir la flexión de los arcos en sentido paralelo al eje de la galería efectuando un acodalado de los mismos. Rendimiento del perfil: La relación del módulo resistente al peso del metro lineal de perfil Wx/G o Wy/G se representa por las características Ƞ x y Ƞy, que se denominan también rendimiento estático o rendimiento del perfil. La comparación de diferentes tipos de perfiles, basándose en esta característica es lícita solamente cuando se trata de aceros de igual peso por metro lineal. E n los perfiles I la relación Wx/Wy oscila entre 3 y 5. Por su gran módulo resistente cuando los esfuerzos actúan según el eje de las x, están especialmente indicados cuando han de soportar esfuerzos de flexión. Se emplean preferentemente en arcos de fortificación de galerías, siendo también adecuados como monteras. El perfil I para fortificaciones mineras (perfil G I) se fabrica en los tamaños comprendidos entre G I 70 y G I 140, estando indicadas sus dimensiones en las normas DIN 21541 (ver tabla 1). Se diferencia de los perfiles corrientes en I en que las alas y la unión de éstas con el alma están reforzadas. En los perfiles acanalados de Toussaint y Heinzmann (perfil éste insensible al pandeo) la relación Wx/Wy es aproximadamente de 1,0. Ideado en un principio para estemples de entibación de los frentes de arranque, se emplea en la fortificación de galerías, pese al inconveniente de su escaso módulo Wx, ya que la forma acanalada da una buena flexibilidad a la fortificación. Por lo tanto, se


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Excavación en minas de carbón emplean en galerías de explotación y en estéril, y últimamente también en la fortificación de espacios grandes. Momento de inercia: Las tablas 1 y 2 también dan valores para el momento de inercia I (en centímetros elevados a la cuarta potencia), que es una propiedad geométrica de la sección transversal de los elementos estructurales (de los perfiles de las vigas de acero). Está relacionado con las tensiones y deformaciones máximas que aparecen por flexión en un elemento estructural, y por lo tanto, junto con otras propiedades del material determina la resistencia máxima de un elemento estructural bajo flexión. Para las vigas I de DIN 21541, como se muestra en la tabla 1, el momento de inercia en el eje x (Ix) es mayor que el momento de inercia en el eje y (I y), para un determinado perfil. Por ejemplo, para el Perfil GI 110: Ix es igual a 510 cm4 para un modulo de sección de W x = 103 cm3 y el momento de inercia en el eje y es Iy = 103 cm4 para un modulo de sección de Wy = 103 cm3. Nótese que el momento de inercia aumenta con el modulo de sección en cada perfil. Hay que advertir además que los soportes curvos tienen un momento de inercia menor que los rectos. La disminución puede alcanzar hasta un 35 %. Por último hay que estudiar el perfil desde el punto de vista económico, esto es, debe de tener una forma tal que permita enderezarlo con facilidad, a ser posible. Por lo tanto, se los puede volver a emplear con mayor frecuencia. Es necesario también que su fabricación sea sencilla, para que su precio de adquisición sea bajo. Según este criterio los perfiles laminados son más favorables que los perfiles cerrados soldados, que además son más difíciles de enderezar.

Arcos de acero: La fortificación con arcos metálicos, es decir, con bastidores curvos abiertos en el piso, ha alcanzado gran difusión. Existen arcos de distintas formas cuyas características no son del todo uniformes. Cabe distinguir el arco semicircular terminado en patas casi perpendiculares, el arco en forma de portal, con sus extremos arqueados hacia el interior, y el de forma de herradura. Las diversas formas están determinadas en las hojas de normas DIN 21 531 y 21 532, o en las normas de los diversos fabricantes, para distintas magnitudes de la sección de la galería. En general, la altura aumenta cuando la anchura medida en el piso es creciente, pero conservándose siempre menor que esta última en un 20 % si la sección, es pequeña, y en un 30 % en las mayores. Desde el punto de vista del esfuerzo a que están sometidos los arcos a causa de la presión del terreno, es decir, para disminuir los gastos de conservación de las galerías, sería más favorable una altura mayor, que lleva aparejada, en cambio, unos costos de ejecución mayores, por su sección de arranque, más amplia, y un consumo de acero mayor. Hay arcos de dos y tres segmentos, y también, pero más raramente, de cuatro segmentos. Pueden ser también flexibles o rígidos.

Diseño de arcos rígidos: Existen arcos típicos de acero de sección transversa de 10 m 2 y 18 m2. Estos arcos son semielípticos y la dimensión mayor es sobre el piso. Muchos arcos rígidos pueden simplificarse


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Excavación en minas de carbón dándoles forma semicircular, arriba de cierta distancia. Se supone que las partes de conexión son muy rígidas. El perfil más empleado para arcos rígidos es el GI de las vigas I DIN 21 541 (ver tabla 1 ).

Figura 13: Arco rígido de acero típico y distintas conexiones.

El diseño consiste en calcular el perfil del arco. Para calcular la sección transversal del arco, el esfuerzo se deberá determinar cómo sigue:

     ||            )  (     ||        En donde: = Valor absoluto del esfuerzo (ton/m 2). = Carga uniforme del techo (ton/m). r = Radio del arco (m). = Reacción de los lados (ton) F = Área de la sección del perfil, en metros cuadrados. W = Módulo de sección del perfil, en metros cúbicos. = Esfuerzo permisible del acero para los ademes de las minas, 1,400 kg/cm2 ó 14,000 ton/m2.

||   

Figura 14: Modelo estático de un arco rígido idealizado de acero.


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Excavación en minas de carbón Como en la ecuación (1) tenemos dos incógnitas F y W, para un diseño conveniente se deberá aplicar el método de tanteos. Sin embargos, en las especificaciones DIN:

     Por lo tanto:

   )  (     ||         La ecuación (3) es de segundo grado con respecto a W, y de deberá tomar la raíz positiva de la ecuación. Después de que W se ha determinado el perfil más próximo se obtiene de la tabla 1 (perfiles GI).

Diseño de arcos (Moll) articulados: El más popular de los arcos articulados, el “arco Moll”, se construye con tres piezas largas de cabezales de madera y con secciones arqueadas de acero que se apoyan en éstos. En la figura 15a, los cabezales de madera se designan con el número, y se colocan tanto arriba como a los lados del socavón, los arcos de acero se designan con el número 3, los travesaños (o traveseros) laterales se sostienen ya sea con postes de acero o con postes de madera, se designan con el número 4, o con calces de madera como se muestra en la figura 15b.

a)

b) Figura 15: Formas de arcos articulados.

En el diseño, el análisis es similar al del arco rígido, solo que la porción vertical se reduce a cero (h’= 0). Por lo tanto, el esfuerzo se deberá determinar cómo sigue:

          ||              Como en la ecuación tenemos dos incógnitas F y W, para un diseño conveniente se deberá aplicar el método de tanteos. Consiste en tomar varios perfiles y verificar los esfuerzos permitidos. Se escogerá aquel perfil cuyos valores de F y W den el mayor esfuerzo para el perfil que sea menor al esfuerzo permisible del acero (para un acero de resistencia 37, = 1400 kg/cm2)

 ||  

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En caso de que esfuerzo calculado para el perfil escogido sea mayor que el esfuerzo permisible del acero, es decir , existen las siguientes tres posibilidades:


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Excavación en minas de carbón 1. Reducir la distancia entre los ademes arcos (a mas pequeño). 2. Utilizar un perfil más grande (F y W más grandes). 3. Utilizar un acero de calidad superior (tal como el de resistencia 52).

a) b) Figura 16: a) Modelo estático idealizado de Arcos Moll con dos articulaciones. b) Sistema Moll con tres articulaciones.

          ||              Con tres articulaciones se deberán satisfacer valores más altos para los momentos, y el perfil que se utiliza para dos articulaciones no resulta seguro al utilizar los mismos valores numéricos tanto en 2 como en 3 articulaciones. Por consiguiente, se debe considerar las tres posibilidades o soluciones mencionadas anteriormente.

Diseño de arcos cedentes: Los arcos cedentes se componen de tres secciones. La sección superior se desliza entre los elementos laterales. Aproximadamente cada 15 días, los elementos tensores se aflojan y los arcos se deslizan y convergen, de esta manera los esfuerzos se aminoran en ellos y se eliminan las deformaciones. Los elementos tensores de los arcos cedentes se aflojan cada cierto tiempo, esto dependerá de las condiciones del lugar. Relacionado con algunas medidas que se va tomando de la cedencia, deformación en el tiempo que tiene la galería. Para esto se cuelga una plomada del techo, se la deja y se mide cuanto se va acercando el tacho al piso. Acá se tendrá en cuenta dos componentes, el hinchamiento del piso (por hidratación de las capas) y la cedencia propiamente dicha (deformación del estrato por la carga). Esta cedencia medida es la que m e dará la idea aproximada de cada cuando tiempo voy a aflojar un poco el arco cedente para que acompañe el movimiento sin colapsar, de esta manera se reacomodan las tensiones por un tiempo.

Figura 17: Principio de trabajo de los arcos cedentes.


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Excavación en minas de carbón Toussaint y Heinsmann diseñaron los primeros arcos cedentes con los perfiles en forma de U.

Figura 18: Arcos cedentes Toussaint - Heinzmann.

Figura 19: Arcos cedentes Toussaint – Heinzmann usados en las minas de carbón francesas.

Calculo estimado de los arcos cedentes: Los arcos cedentes al disminuir 30 o 40 cm de altura, no pueden proporcionan un modelo estático para los cálculos. La estimación de las dimensiones se hace según el criterio de convergencia del camino principal. Formula de estimación de los ademes cedentes en las minas alemanas:

        √           √       

En donde: K = Convergencia final, en por ciento. K ' = Hinchazón del suelo, en por ciento. Y = Cierre de los lados, en por ciento. H = Profundidad de la entrada, en metros.


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Excavación en minas de carbón m = Espesor del manto, en metros. = Coeficiente, según el ademe de las nervaduras de la entrada. (Tabla 3) = Coeficiente según la roca del suelo. (Tabla 4)

 

Consideraciones: K '/ K < 0.7 perfiles cedentes, 26 a 29 kg/m. K '/ K > 0.7 perfiles cedentes, 3 0 a 36 kg/m. Tabla 3: Coeficiente K t, según el ademe de las nervaduras laterales de la entrada del túnel.

Tabla 4: Coeficiente K f, según la roca del techo.


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Excavación en minas de carbón Sostenimiento con acero en los frentes largos: La baja resistencia, el alto costo de la madera y la mecanización de las frentes largas condujeron a la utilización del acero en los sistemas de ademe. Este adelanto condujo a la mecanización total y a la automatización en las frentes largas, con lo que se logro una producción alta y la concentración de lugares de laboreo en las minas. La figura 20 muestra los primeros ademes de acero con postes de fricción y cabezales articulados, las posiciones de los ademes de acero como se ven en planta se indican en la figura 20a, y la vista de la sección transversal, el figura 20b. Un marco de acero se compone de: 1) Un poste 2) Un cabezal Estos se colocan en “forma de T”. Los cales o cuñas de madera (3) se colocan de acuerdo a las condiciones del techo. El marco se puede instalar con facilidad colocando un sistema de seguridad (7) y, también, se puede quitar fácilmente por el mismo sistema de seguridad (6), al trasladar el marco de la “fila de atrás” a la “fila de adelante”. El techo de la parte trasera de la frente larga se “hunde” en este avance.

a)

b) Figura 20: Ademes de acero en las frentes largas con postes de fricción y cabezales articulados.

La articulación de los cabezales permite la colocación del poste al final del turno de trabajo, teniendo así un área de frente sin postes para que el transportador de cadenas (4) se mueva libremente y la máquina de extracción del carbón (5) lo corte y lo cargue en el transportador. Los postes son telescópicos (regulables), fabricados en dos piezas que se deslizan una dentro de la otra y se ajustan según el espesor del manto. La colocación de los postes se termina con un mecanismo de seguridad para los postes de fricción, y por medio de un mecanismo hidráulico o un fluido a presión que se obtiene de las mangueras de la frente en los postes hidráulicos. Los cabezales son vigas simples en forma de I que tiene una articulación y un mecanismo de colocación para soportar el techo durante un corto tiempo.


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Excavación en minas de carbón Los postes hidráulicos se mejoraron al lograr que el poste, el cabezal y el transportador de cadena formaran una sola unidad denominada “ademe caminante” o cuñas caminantes (figura 21). Cada unidad mecanizada de ademe se compone de 4 a 6 patas (1) sostenidas por un cabezal grande (escudo) (3). La máquina de extracción (2) se coloca sobre el transportador de cadena y se empuja contra la frente por medio de un sistema móvil recorriendo un camino ondulado.

Figura 21: Ademes mecanizados en las frentes largas.

Los ademes avanzan por si mismos (autoavanzan) por la acción del tirón hacia el transportador de cadena; entonces al “caminar” y sobrevenir el hundimiento del techo se realiza un avance. Hay varios avances (de tres a seis) durante el turno, según los cortes que se lleven a cabo, alcanzando un avance de 1,5 a 5 metros por medio de extracción y produciendo una gran cantidad de toneladas con pocos trabajadores.

Postes o estemples de fricción: La construcción y el principio de trabajo de los postes de acero de fricción se indican en la figura 22.

Figura 22: Fundamento de los postes de fricción.


25

Excavación en minas de carbón El poste está formado por una pieza cilíndrica exterior F y una pieza interior P que se conectan por medio de “placas de desgaste o de frotamiento” a y se sostienen por medio de la fuerza horizontal H. Esta fuerza se caula como sigue:

              En donde: H = Fuerza horizontal de seguridad, en toneladas. R = Carga en el límite elástico, en toneladas. = Angulo de fricción entre la pieza interior y las placas de apoyo, i = Angulo de conicidad de la pieza interior, n = Número de las superficies de fricción, n = 2 en la mayoría de los postes.

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        

.

Generalmente, existen dos superficies de fricción, pero hay postes con mas superficies (postes con hendiduras o postes divididos, n = 4) y una variedad de manera para aumentar las superficies de fricción. Postes cónicos: se llaman postes cargados “lentamente o con lentitud”. La carga que soportan es proporcional al hundimiento. Figura 23.

Figura 23: Sistema de seguridad y curva característica de los postes cónicos de fricción.

Conforme se hunde a pieza interior, la conicidad de esta pieza fuerza al sistema de seguridad para que incremente y ejerza mayor empuje horizontal sobre el mismo sistema. Postes cilíndricos: i = 0, la fuerza horizontal se ejerce por medio de una cuña extra – servo cuña-, como se indica en la figura 24. Debido a la conicidad tal alta (1/10), el servo ejerce una gran fuerza de seguridad al hundirse ligeramente (20 mm). Por esta razón, se les llama poste de carga “instantánea”, como se observa en la curva.


26


Figura 24: Sistema de seguridad y curva característica de los postes cilíndricos de fricción.

Postes hidráulicos: Los efectos que los errores humanos causaron en la utilización de los postes de fricción, debido a la fuerza de rozamiento, al envejecimiento de la superficie de fricción y a otras dificultades hicieron que fuera necesario diseñar un poste mejor, que trabajara hidráulicamente, como se indica en la figura 25.

Figura 25: Esquema de trabajo de los postes hidráulicos.

En la figura 25, al abrir y cerrar la válvula 1 el fluido cambia de lugar entre las piezas interiores y exteriores cuando se bajan y se detienen los postes según la carga que ejerzan los techos. Esta válvula descentrada (1) se abre cuando la mamposta soporta una carga de 20 ton aproximadamente. El poste se levanta y se aprieta mediante una bomba de mano que se construye dentro del poste como se muestra en la figura 26. Al girar la manivela M a lo largo del arco h, el pistón se mueve hacia arriba y abre la válvula 2, permitiendo que parte del fluido pase de la pieza interior a la exterior y que se levante el poste. Esto también se puede hacer al agregar, desde el exterior, fluido a presión (agua + aceite soluble + anticorrosivo) mediante una pistola que va unida, mediante


27

Excavación en minas de carbón mangueras, a una bomba situada en la galería, figura 27. Esto elimina la bomba manual y hace más ligero el poste, pero se necesitan en las frentes mangueras con fluido a presión.

Figura 26: Mando de extensión de los postes hidráulicos.

Figura 27: Mamposta con bomba colectiva.

Finalmente el poste se puede bajar con facilidad abriendo la válvula v, al tirar del anillo exterior para hundir F. esto permite que el fluido corra de la pieza exterior a la interior y descienda el poste. Los postes hidráulicos trabajan mucho mejor que los postes de fricción, son de fácil colocación y descenso; además, mantiene las cargas en el nivel deseado, lo que origina una menor convergencia.

Cabezales o montantes articulados: El techo se sostiene mediante cabezales articulados que se apoyan sobre postes hidráulicos o de fricción. Los cabezales son vigas de acero de 1,0 a 1,5 metros de longitud, las cuales tienen una articulación en donde se enganchan y permanecen sin ningún otro ademe durante un corto tiempo. Esta articulación se asegura por medio de varias conexiones de cuña.


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Excavación en minas de carbón La articulación proporciona un claro sin postes de 2 metros, en donde el transportador, las maquinas de extracción y los impulsores de los transportadores pueden operar libremente. Esta articulación deberá sostener los bloques que se forman por fracturas a 45°, los cuales por lo general pesan de 1 a 1,5 toneladas, como se indica en la figura 28.

Figura 28: Cabezales articulados.

Los perfiles de los cabezales son vigas H que se refuerzan al agregar piezas a los lados y se convierten en perfiles cuadrados.

Diseño de postes y cabezales: El diseño abarca la densidad de los postes (numero de postes por metro cuadrado), dimensiones del perfil del cabezal y la penetración o intrusión sobre la roca del piso de un manto, el cual deberá tener la capacidad de soportar una carga sin permitir su penetración. Calculo de la densidad de los postes: Para calcular la densidad de los postes, se evalúan los esfuerzos por medio de las diferentes formulas para frentes largas (Terzaghi, Siska, etc) de los ademes de madera.

           En donde: = Presión evaluada sobre el techo, en toneladas por metro cuadrado. L = Ancho de la frente, distancia sostenida por ademes, en metros. = Distancia entre las filas de los ademes, en metros. Pn = Carga nominal de un poste, en toneladas. K = Factor de eficiencia de los postes (Por tabla 5, según tipo de poste y su carga nominal). N = Número dé postes por hilera. n = Factor de seguridad, generalmente 2. D = Densidad de los postes, piezas por metro cuadrado.

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Procedimiento:

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1. Se calcula (la presión del techo en la frente larga) mediante Terzaghi o Siska. 2. Se calcula con la formula (1). 3. Se calcula D con la formula (2).


29

Excavación en minas de carbón Tabla 5: Factor de eficiencia del poste

Penetración de los postes en el piso: La roca del piso de un manto debe tener la capacidad de soportar una carga sin permitir su penetración. La penetración ocasiona una gran convergencia y el problema de mover el poste de atrás de la frente hacia adelante. Si el área del poste es F y la resistencia de seguridad de la roca es , el esfuerzo que se desarrolla debe ser:

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Si el poste tiene un esfuerzo mayor que la resistencia de la roca del piso (si ), se hunde. En tal caso, se debe utilizar un tamaño mayor del poste, o el piso se excava más con el fin de alcanzar una roca más fuerte, o se usan refuerzos más grandes como se indica en la figura 29.

Figura 29: Precauciones contra la intrusión o penetración en el piso.

Dimensión de los cabezales: Los cabezales que se sujetan juntos se pueden considerar como una viga continua apoyada en postes, y se puede utilizar la formula de flexión (la misma que se utiliza para ademes de madera en las frentes largas).


30


                              En donde: = Presión del techo en las frentes largas (kg/cm2) = Distancia entre las hileras (cm). = El claro (distancia entre los postes) (cm). : Modulo de sección (cm3), se obtiene por tabla, se prueba con diferentes perfiles de vigas, hasta que se encuentra un W tal que el esfuerzo de flexión del cabezal sea menor al esfuerzo permisible del acero, es decir .

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Ademes mecanizados o soportes energizaos: Este tipo de ademes se ha obtenido después de los grandes avances en los ademes de acero de las frentes largas. Hasta la segunda guerra mundial, estuvieron en uso los postes de fricción y las varillas o barras. Los postes hidráulicos se desarrollaron en un esfuerzo para vencer los defectos del envejecimiento de la superficie de fricción y los errores humanos de precargar los postes. La convergencia se redujo con el trabajo hidráulico del poste, pero las penetraciones en el piso y los cambios intermitentes de atrás hacia delante de la frente, no iban a la par con el paso de la extracción mecánica del carbón. Este tipo de ademes, es un sistema de diseño hidráulico, con postes y cabezales incorporados en una sola unidad y conectados a los transportadores blindados para avanzar simultáneamente con el corte en la línea de la frente. Tales sistemas de ademe se llamaron “cuñas caminantes”, ya que caminan o avanzan por sí mismas tiradas por el transportador. Además, este sistema se ha mejorado con diferentes diseños que hacen que el techo sea más seguro como con la introducción de los ademes de “escudo”. Los ademes mecanizados en las frentes largas, logro un alto rendimiento por hombre turno, una mayor recuperación y, la restricción en el laboreo dejando pilares, por lo que, se utiliza en la producción de carbón en muchos países. Tipos de soportes mecanizados: 1. 2. 3. 4.

De cuña Armados De escudo De escudo y cuña


31

Excavación en minas de carbón 1) Ademe de cuña: Lo fabrico la compañía Gullick de Inglaterra, y es una cuña hidráulica como se muestra en la figura 30. El modelo original se compone de un bloque (cuña) con un pistón horizontal y de cuatro verticales. Los pistones se conectan a los cabezales con sección de canales de hacer, los cuales se refuerzan por medio de placas o planchas de acero. Los pistones verticales sostienen el techo y el pistón horizontal empuja el transportador.

Figura 30: Ademe típico de cuña.

Elementos del ademe: 1. Escudo rígido (cabezal) de ancho completo, tiene prolongaciones para sostener el techo después de que ha pasado la máquina de corte. 2. Pierna. 3. Caja de pata autocentradora (o de centrado propio). 4. Martinete de doble efecto. 5. Estructuras de las bases delanteras. 6. Cubierta de piso para el andén o pasarela. 7. Estructura de la base posterior. 8. Escudo antiflujo, para proteger la cuña de los bloques de hundimiento. 9. Válvula de control hidráulico. 10. Mangueras hidraulicas. 11. Amortiguador (o estabilizador) 12. Barras del marco. 2) Ademe armado: El ademe armado lo desarrollo por primera vez la compañía Dowty en Inglaterra. El sistema se compone de dos ademes diferentes con dos y tres patas. La unidad con dos patas se conecta al transportador y avanza con la máquina de corte para cubrir el área del techo abierta recientemente Figura 31a. Las piezas con tres patas se usan para ademar el techo de la frente; después de que la máquina de corte ha pasado, avanzan y se alinean de nuevo con las unidades de dos patas. El ademe moderno que se fabrica con unidades de dos patas se muestra en la figura 31b.


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a)

b) Figura 30: Ademe típico armado.

Elementos del ademe: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Articulación o charnela. Conjunto del control hidráulico. Empujador de ballesta o de resorte de hojas. Base central. Placa de soporte de los tornillos niveladores con tornapunta. Cilindro corredizo o regulador. pata. Escudo articulado.

3) Ademe de escudo: Para frentes de fácil hundimiento. Estos se componen de una placa inclinada cuyo extremo inferior se articula con la placa horizontal de base que se asienta en el piso, mientras que el extremo superior se articula con el escudo horizontal que está en contacto con el techo. Existen diversos tipos. Todos, sin importar su tipo, se componen de un escudo, una base, patas hidráulicas y un sistema de control. 



Ademe caminante con escudo “calibrador”: tiene una conexión simple entre la base y el escudo, de manera que cuando los cilindros se extienden, la punta del escudo del techo se aleja del límite de la frente y cuando se acortan, el escudo avanza, figura 31a. Ademe con escudo “lemniscata”: una articulación especial entre la base y el escudo para el relleno de material de desechos mantiene una distancia constante entre la frente y el


33




extremo del escudo, ya sea que los cilindros hidráulicos se muevan hacia arriba o hacia abajo, figura 31b. Escudo de 4 patas: las dos patas posteriores reaccionan entre la base y el mismo escudo, mientras que las patas delanteras reaccionan entre la base y el escudo del techo, figura 31c.

a) b)

c) Figura 31: Ademes típicos de escudo.

Elementos del ademe con escudo calibrador, figura 31a: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Escudo. Escudo del relleno de material de desechos. Charnela. Base. Patas. Válvula de control hidráulico. Martinete hidráulico. Placa de avance para difusión.


34

Excavación en minas de carbón 9. Transportador de artesas. 10. Manguera. 11. Placa contra la astilladura. Elementos del ademe con escudo lemniscata, figura 31b: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Escudo. Broquel del relleno de material de desechos. Conexión de la lemniscata. Base. Pata. Válvula con control hidráulico. Martinete hidráulico. Placa de avance para difusión. Transportador de artesas. Manguera.

Elementos del ademe con escudo de 4 patas, figura 31c: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Escudo. Escudo de relleno de material de desechos. Base. Martinete hidráulico. Placa de avance para difusión. Pata. Válvula con control hidráulico.

Componentes de los ademes mecanizados: a. b. c. d. e.

Escudos Placas base Patas (gatos) Suministro de energía hidráulica Sistema de control

a) Escudos: El tamaño del escudo varía desde 1,61 hasta 9,4 m2. Los marcos de los escudos pueden ser de cualquier forma, pero los perfiles rectangulares son los más comunes. En escudo de cuña es generalmente una pieza solida que se articula para acomodarse a las irregularidades o cavidades del techo. La articulación permite aumentar el área de contacto con el techo (68%). El área totalmente fortificada al utilizar escudos de cuña varía generalmente entre el 85% y el 90% del área de la frente.


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Excavación en minas de carbón b) Placas de base: Están disponibles en cualquier tamaño. Las bases para los ademes armados están divididas en mitades, mientras que las placas de base solidas se usan para ademes de cuña y de escudo, que proporcionan mayor estabilidad. Cada placa de base está provista de patines; el diseño más común es una combinación de un patín trasero con un solo patín delantero dividido. El área de contacto con el piso varía desde 0,8 – 4 m2 (ademes de cuña) y de 0,13 – 2,75 m2 (ademes armados). c) Patas (gatos): El diámetro interior de los gatos hidráulicos varía de 10 a 30 cm. Cuando se levantan los gatos contra el techo, la carga total que se ejerce sobre el mismo es:

     En donde: P = carga total del montaje (kg) = Presión hidráulica de operación (presión de la bomba) (kg/cm 2) A = Área de la sección transversal (cm2) N = N° de patas



d) Suministro de energía hidráulica: Existen 4 tipos de fluidos hidráulicos: 1. Emulsión de aceite soluble en agua al 5% 2. Emulsión de agua en aceite al 40% 3. Solución de glicol en agua al 50% 4. Aceite de petróleo refinado Todos estos tipos de fluidos hidráulicos deben tener bajo costo, baja viscosidad, ser inflamables, tener una alta resistencia a los cambios químicos al ponerse en contacto con el aire. Además deben ser resistentes a la formación de espuma (el aire produce daños mecánicos y calor). Para proteger las partes móviles se necesita también de lubricación y protección contra la corrosión. e) Sistema de control: Los ademes se pueden controlar de varias maneras: 1. Operación manual en cada ademe: Tiene problemas de seguridad. 2. Operación manual en cada ademe desde la unidad vecina: Se utiliza ampliamente. 3. Operación manual desde puntos selectivos de la frente: Más común y más seguro.


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Excavación en minas de carbón 4. Control automático desde la entrada de la galería: Se adopta solo con una operación automática de la máquina de corte. Diseño de los ademes mecanizados: Las condiciones geológicas y de esfuerzo son muy importantes para el diseño de los ademes mecanizados. Estos factores intervienen en el control de los estratos, así como en el costo del sistema de ademe. Por lo tanto, se debe escoger la capacidad correcta de los ademes para satisfacer las condiciones geológicas y de esfuerzo en cada caso. Para el diseño de ademes “caminantes” no existe un conjunto o sistema establecido de formulas. Casi cada país ha establecido sus propios sistemas. Por lo tanto, se describirán los sistemas usados por país. 

Sistema alemán:

Las capacidades de carga de los ademes caminantes de cuña y de escudo se calculan como se muestra en la figura 32. -

Para ademes de cuña, (figura 32a):

Con K = 1,5 y ɣ = 2,5 Tn/m3, queda:

En donde:

          



= capacidad máxima de carga del ademe de cuña (Tn/m2) m = potencia del manto n = factor de seguridad, generalmente n=2 K = factor de expansión del techo inmediato -

Para ademes de escudo, (figura32b):

En donde:

   

F = capacidad de carga (Tn/m 2) R = reacción del pistón (Tn) = distancia de la carga recibida la charnela o articulación posterior (m) = distancia del pistón a la charnela o articulación (m)

 


37


a)

b) Figura 32: Cargas sobre la cuña y el escudo de los ademes “caminantes” . 

Sistema Ingles:

Se toma en cuenta el peso del techo inmediato, como se observa en la figura 32a, y se obtiene por medio de la formula siguiente:

     En donde:



= capacidad mínima de carga del ademe (Tn/m 2) ɣ = densidad del techo inmediato (Tn/m 3) W. Wilson ah analizado las cargas bajo condiciones inclinadas y a nivel. En mantos inclinados, la carga en los ademes es (figura 33):

En donde:

      

  

= carga de ajuste o de fijación del ademe (Tn) W= Peso del bloque sobre el ademe (Tn) = ángulo de inclinación = ángulo de fricción entre el techo inmediato y el techo principal.


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Figura 33: Carga sobre los mantos inclinados. 

Sistema Austriaco:

La idea principal es que el techo inmediato se sostenga por medo de los sistemas hidráulicos de cuñas o de marcos “caminantes”. Los momentos de los ademes hidráulicos deberán ser mayores que el momento de la carga muerta del techo inmediato. La capacidad de carga de los ademes caminantes se puede calcular como se indica en la figura 34 y mediante las siguientes formulas:

                                   


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          En donde:

 

= Capacidad mínima de soporte de una unidad hidráulica (Tn) = factor de hundimiento, generalmente = 0,9 n = N° de unidades de marcos o (cuña) del ademe “caminante” por metro lineal de la frente d = longitud del escudo, o la distancia entre la parte trasera del ademe y la orilla de la frente (m) e = distancia entre la parte trasera del ademe y el techo sin hundir (m) m = espesor del manto k = factor de expansión (se toma de 1,4 a 1,6) ɣ = densidad del techo inmediato (Tn/m 3) Según la última ecuación, conforme e (área sin derrumbe) aumenta el ademe deberá ser más grande (más fuerte).

Figura 34: Carga sobre los ademes “caminantes”. 

Sistema Francés:

Este sistema basa sus cálculos para los ademes “caminantes” en las medidas de convergencia en la frente. Según la fórmula siguiente:

     

En donde: CvT = Convergencia en la frente (mm/m de avance) W = espesor del manto (0,8 a 3m) q = factor de hundimiento, 1 para hundimiento; 0,6 para relleno neumático; 0,15 para relleno hidráulico. H = profundidad bajo la superficie (entre 100 a 1000 m) = capacidad para soportar carga del ademe (en Tn/m de longitud de la frente) La aplicación de la ecuación se da en la siguiente grafica para una profundidad de 500 m en diferentes espesores equivalentes qW. La convergencia disminuye rápidamente para las




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Excavación en minas de carbón capacidades de carga de 10 a 100 Tn/m, y no se deberá permitir que la convergencia sea mayor de 40 mm/m.

Figura 35: Relación entre la convergencia promedio y la capacidad de soporte por metro lineal del ademe.

En la figura 36 se indican las características del techo clasificadas en las categorías A, B y C para las capacidades de soporte de las cargas que se desean (en toneladas por metro) contra los espesores equivalentes de los mantos qW. Las características del techo A, se refieren a un “techo fuerte y grueso” (de más de 1 m). Existen pocas fracturas y el techo está cortado formando grandes bloques por medio de fisuras paralelas que se indican hacia la cámara rellena de material de desechos. B se refiere a una “cámara de desechos fuertes y estratificada” que se compone de estratos más delgados y fracturados en una malla más fina que en A. La curva C se refiere a un techo frágil (carbón, esquisto margoso, lutita) el cual se desprende en pequeños bloques tan pronto como en la frente. Como se indica en la figura es suficiente un ademe para 140 Tn/m en el techo frágil, mientras que se necesita una capacidad mínima de 250 Tn/m para los fuertes y gruesos.

Figura 35: Capacidad de soporte o carga deseada en función del espesor de trabajo a una profundidad de 500 m.


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Excavación en minas de carbón 

Sistema Polaco:

Este sistema se basa en las grietas de la frente. La capacidad de soporte de un área ademada con tres unidades, se muestra en la figura 36, y está dada por la siguiente fórmula:

     En donde: Po = Capacidad promedio de carga (Tn/m2) P1 = carga nominal de una unidad (Tn) P2 = carga sobre la unidad cuando avanza, se toma como cero (Tn) P3 = carga sobre la unidad recién colocada (Tn) F = área de la frente cubierta por tres ademes (m2) n = factor de eficiencia de los ademes (se toma como 0,8)

Figura 36: Capacidad de carga promedio de los ademes “caminantes”.

Para evaluar el ademe conveniente, se determina las condiciones del techo. Los techos se dividen en 5 categorías, cada una con un “índice de techo” determinado, como se describe en la tabla 6. El índice L del techo se puede tomar de la tabla 6, o mediante la siguiente fórmula:

      Explotación de Minas I

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Excavación en minas de carbón En donde: L = índice del techo = Resistencia a la compresión uniaxial de la roca del techo (kg/cm2) = coeficiente de resistencia in situ, 0,33 para arenisca, 0,50 para limolita. = coeficiente de fatiga, 0,70 para arenisca, 0,60 para limolita. = coeficiente de contenido de agua in situ, 0,60 para arenisca.

   

Tabla 6: Índices de techo para la evaluación de los ademes mecanizados



Sistema Estadounidense:

En este sistema, desarrollado por el U.S Bureau of Mines (Oficina de Minas de EE.UU.), se supone que el techo inmediato se comporta como una viga en voladizo. Se fractura delante de la frente a una distancia igual a la altura del manto; el techo que va a soportar se extiende desde el extremo del voladizo hasta la fractura supuesta. En la figura 37 se muestran tres casos.

Figura 37: Estimación de U.S Bureau of Mines sobre los ademes caminantes.


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Excavación en minas de carbón En el primer caso, existe una abertura mínima (hueco entre el extremo del ademe y la orilla de la frente del carbón. En el segundo caso, similar al primero, excepto que se ha hecho un corte en la frente. En el tercer caso existe un gran voladizo (20’). La carga estática que los ademes van a soportar para todos los casos se puede generalizar como sigue:

       En donde: W = Peso del techo inmediato que se va a soportar (Tn) = Longitud de la viga (m) i= Número de casos: 1, 2, 3. S = Espaciamiento promedio entre los ademes (m) H = Espesor del techo inmediato. W = Densidad de la roca del techo inmediato (Tn/m3) T = Carga mínima cedente determinada para el ademe.



Ventajas de los ademes mecanizados: 



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Baja convergencia: los sistemas hidráulicos controlan el techo con mucha eficiencia. Producción alta: debido a la mecanización, los sistemas pueden avanzar hasta 5 o 6 metros por día. Esto incrementa la producción, disminuye el número de frentes de operación requeridas y se concentran más los rajos mineros. Producción segura: el control efectivo del techo ha minimizado los accidentes por las caídas de lajas del techo. Alto rendimiento: el rendimiento por hombre – turno en los sistemas con ademes mecanizados se ha incrementado en comparación son el sistema convencional (poste hidráulico con cabezales articulados).

Desventajas de los ademes mecanizados: 

Costo de capital: Necesitan una alta inversión de capital.



Alto costo de mantenimiento: Es más alto que para los ademes mecanizados.


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Excavación en minas de carbón 



Mano de obra calificada: estos sistemas de ademes requieren mano de obra altamente calificada. Especificaciones geológicas: son difíciles de satisfacer, se debe cumplir con las grandes áreas, las variaciones en el espesor del manto y con las condiciones de operabilidad mecánica.

Conclusión: A medida que se mecaniza el arranque y el transporte en las explotaciones del carbón gana importancia el trabajo de fortificación, ya que la parte de tiempo y costos empleada en dicho trabajo aumenta proporcionalmente según se van mecanizando los otros trabajos. La fortificación mecanizada debe soportar el techó y poder adaptar su resistencia a las distintas condiciones del terreno. Sus distintos elementos componentes deben estar constituidos de tal forma, que se puedan introducir y extraer de las explotaciones con facilidad, también seguir al frente de arranque de una manera continua y facilitar una explotación progresiva independiente de la anchura de la zona fortificada. Cabe aclarar, que en la aplicación de los ademes mecanizados se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: 

 

 





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El techo se debe hundir. Si no se hunde o se cuelga y se cae de repente, no es conveniente para el laboreo por frentes largas. Entonces, se deben utilizar algunos sistemas de relleno. El techo más adecuado se hunde conforme avanza el ademe. Sin embargo, cuando un techo débil se desmorona en vez de hundirse, se deja una parte del carbón en forma de pilar para fortificarlo. El piso deberá ser lo suficientemente fuerte para resistir las intrusiones, ya que esto representa un problema para el avance. El espesor del mato y su regularidad son importantes. Las irregularidades grandes no se pueden satisfacer. Puede ser difícil para las maquinas de extracción y para los equipos de rezagado cortar las secciones bajas. El espesor máximo con el que se puede trabajar actualmente es de 5 metros. La operación óptima se hace en mantos horizontales y hasta 8° de inclinación, por medio de refuerzos especiales se pueden explotar mantos hasta con 35° de inclinación. Las fallas de las rocas del techo y del piso son un problema ya que retardan el avance y dificultan el rezagado. las fallas grandes son difíciles de cortar y hacen necesario ejecutar nuevas obras. El agua en las frentes larga es perjudicial y corrosiva para los ademes. Bajo estas condiciones, se debe drenar el cuartel por medio de perforaciones o se deben escoger ademes especiales anticorrosivos. La anchura del panel o cuartel deberá ser lo suficientemente grande para garantizar el uso de ademes caminantes. Se necesitan 15 a 20 días para instalar el equipo, lo cual se añade al costo del carbón; el gasto es mínimo en los cuarteles grandes. La anchura óptima que se ha encontrado es de 800 a 1000 metros. La producción depende de la longitud de la frente larga y de la velocidad de avance. La velocidad práctica de las frentes largas fortificadas con ademes caminantes es aproximadamente de 5 a 6 m por día, en promedio.


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Excavacion en minas de carbon.docx

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