LOS SISTEMAS DINÁMICOS DE PROTECCIÓN DE TECHO EN LAS EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS Y SU INFLUENCIA EN LA SEGURIDAD J. Toraño Álvarez1, R. Rodríguez Díez1P, J.M. Rivas Cid2, M.M. Casal Barciella3 (1) Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas, Universidad de Oviedo (2) CARBONAR (3) INCAR
ABSTRACT
Roof supporting in undergrownd excavations is very important for safety, spetially in the case of very poor rock masses. Actually, best solution are powered supports based on hydraulic systems (shield supports in tunneling, mining...etc.) that allows for quick and effective support of the t he roof and consecuently most eficiency and safety conditions for workmen. In this work a case related to coal minning is presenting and based on experiencie and models (Finit Element Method) the problem, and the solution that will be used in future, have been studied. RESUMEN
Algo fundamental desde el punto de vista de la seguridad en toda excavación subterránea es el sostenimiento del techo, en especial cuando se excava en macizos rocosos de bajas características geomecánicas. La solución que actualmente aparece como idónea son los sistemas mecanizados de sostenimiento basados en el accionamiento hidráulico (escudos para el avance de túneles, entibaciones para la explotaciones mineras...etc.) que permiten un sostenimiento rápido y efectivo del techo consiguiéndose un aumento del rendimiento en las operaciones y unas condiciones de trabajo más seguras para el personal. Se presenta aquí un caso real relacionado con la minería del carbón en el que, basándose en la experiencia y con la utilización de modelos numéricos (MEF), se ha estudiado este problema y su solución, que será adoptada en un futuro.
1.- INTRODUCCIÓN
El problema que aquí se estudia se produjo en la explotación de una capa de carbón de unos 5 m de potencia y 12º a 20º de inclinación, la cual se venía explotando por métodos tradicionales. Para adaptarse a un mercado de fuerte competitividad se decidió sustituir el método por el de "tajo largo" [3] en el que son mecanizadas las labores de arranque de mineral, su transporte y el sostenimiento del techo mediante la “rozadora”, el “transportador” y la “entibación autodesplazable” respectivamente. En la figura 1 se sintetiza el sistema.
Figura 1: Esquema de un complejo mecanizado para tajo largo
En la figura 2 se muestra una unidad de entibación (esquema y real). El sostenimiento se consigue mediante una placa metálica superior o "bastidor de techo" que es soportada mediante dos cilindros hidráulicos que apoyan sobre las zapatas inferiores. Cuando la rozadora ha arrancado una franja de mineral, toda la instalación se desplaza hacia delante por medio de cilindros hidráulicos horizontales.
Figura 2: Unidad de entibación: esquema y situación real en la mina
2.- PROBLEMAS DERIVADOS DE UNA GEOLOGÍA DESFAVORABLE
El techo inmediatamente en contacto con la capa de carbón consistía en una limolita de características medias-altas (σc= 60-100 MPa) pero con un alto grado de diaclasamiento o fracturación por lo que, a nivel de macizo rocoso, las características geomecánicas podían calificarse de muy bajas (índice RMR ≤ 30 [1]) con una influencia negativa para la seguridad [5]. Efectivamente, la baja resistencia mecánica originaba un fenómeno cíclico representado en la figura 3. En ocasiones, y a partir de una situación normal (3a), nada más arrancarse una franja de mineral dicho techo se desprendía (3b) formándose una bóveda que, si se producía un retraso en el avance de la entibación, continuaba creciendo por un mecanismo de descompresión (3c) debiendo en este caso pararse el tajo para proceder al relleno del hueco con madera o algun material similar (3d). Como consecuencia se dan dos efectos muy negativos: por una parte, una disminución importante en el rendimiento de la explotación y, por otra, la necesidad de realizar unas labores en unas condiciones de seguridad no óptimas, debido a que se hacen bajo un techo descompuesto y sin un sostenimiento efectivo sobre él, algo que ha de evitarse en la medida de lo posible [2].
a
b
c
d
Figura 3: Formación de un desprendimiento de techo
3.- SOLUCIÓN ESTUDIADA
Una solución al problema consiste dotar al bastidor de techo con una parte trasera rígida y una parte delantera deslizante accionada por cilindros hidráulicos. Nada más pasar la máquina de arranque los cilindros se extienden permitiendo así una protección inmediata del techo antes de avanzar toda la instalación, con lo que se consigue evitar los desprendimiento del mismo y las labores en las dificiles condiciones anteriormente descritas. A este respecto, se tenía ya experiencia directa de la efectividad que en este caso se podría conseguir con el sistema puesto que en un extremo del tajo largo existían dos escudos especiales de mayor longitud y con un bastidor deslizante de esas características (figuras 4 y 5).
Figura 4: Unidad de entibación con bastidor de techo delantero deslizante
Figura 5: Detalle del bastidor de techo delantero deslizante
4.- MODELIZACIÓN DEL FENÓMENO POR ELEMENTOS FINITOS 4.1.- Desarrollo del modelo
Para llevar a cabo un estudio más completo del problema se decidió elaborar un modelo basado en el Método de los Elementos Finitos con el cual simular la interacción entre una unidad de entibación y su entorno y comprobar la eficiencia de la solución propuesta. En el modelo se representaba el macizo rocoso, distinguiéndose en él la capa de carbón, el techo inmediato de limolita, el techo superior de arenisca y los estratos a muro de la capa, así como la entibación con sus partes mecánicas e hidráulicas (cilindros principales de sostenimiento). La caracterización de los materiales y calado del modelo se hizo en base a la experiencia [4] y a partir de teorías clásicas [5]. Para reproducir las condiciones de carga reales sobre la entibación se simuló el avance del frente de explotación y el hundimiento por detrás del tajo. En la figura 6 se representa el modelo constitutivo y la distribución de tensiones antes y después de simular el avance del tajo.
Figura 6: Modelo utilizado en las simulaciones (Método de los Elementos Finitos)
4.1.- Simulación del comportamiento del escudo normal
En las figuras 7 y 8 se muestra un detalle del modelo correspondiente a un entrono de un escudo estándar. Se ha elegido un rango de tensiones verticales (-0.5 a 0.5 MPa) que permite poner de manifiesto aquella zona de techo que trabaja a tracción y, dada la nula resistencia de la roca ante esos esfuerzos, más susceptible de desprenderse. A la vista de los resultados de las simulaciones se entiende mejor el fenómeno que se observa en la realidad. Antes del arranque de mineral (figura 7), dicha zona se localiza encima del bastidor de techo y no crea problemas. Ahora bien, después del arranque (figura 8), dicha zona se extiende por delante de la protección del bastidor produciéndose el fenómeno de desprendimiento de techo del que se viene hablando.
Figura 7: Zona de tracción vertical antes del arranque del mineral
Figura 8: Zona de tracción vertical después del arranque del mineral
4.2.- Simulación del comportamiento del escudo especial
El efecto de un bastidor con una parte delantera deslizante se deduce de la simulación de los dos escudos especiales existentes en el tajo en los cuales, tal y como se observa en la realidad, no se producen los desprendimientos. Antes del paso de la máquina de arranque (figura 9) la zona a tracción vertical se localiza sobre la articulación del bastidor y es ligeramente más alta que en el escudo estándar. Después del arranque (figura 10) dicha zona de tracción tiende a progresar hacia el frente pero sin producir efectos negativos ya que el avance del bastidor deslizante protege del desprendimiento de techo. El modelo permite comprobar también cómo la articulación del bastidor, aunque aporta ventajas operativas, introduce un punto de debilidad en la estructura que, en su caso, sería objeto de estudio aparte.
Figura 9: Zona de tracción vertical antes del arranque del mineral
Figura 9: Zona de tracción vertical antes del arranque del mineral
5.- CONCLUSIONES
Se ha estudiado el problema del sostenimiento en excavaciones subterráneas con un techo de bajas características geomecánicas en un caso, la explotación de una capa de carbón, en el que puede llegar a tener una influencia negativa sobre las condiciones de trabajo y la seguridad en las labores mineras. Basándose en la experiencia en otros tajos largos se ha estudiado la solución de bastidor de techo con una parte delantera deslizante. Para ello, se ha elaborado un modelo MEF que se ha contrastado con los datos que se han podido obtener directamente de la experiencia en mina comprobándose la potencia de dicha herramienta de cálculo si está debidamente contrastada con la realidad. La investigación realizada, teniendo en cuenta el grado de incertidumbre de toda excavación subterránea, orienta hacia la utilización de un bastidor de techo no articulado con su parte delantera deslizante. REFERENCIAS 1. Beniawski, Z.T. Rock Mechanics Design in Mining and Tunneling . A.A. Balkema Roterdam/Boston 1984. 272 pp. 2. ITC 04.6.06. Sostenimiento de explotaciones inclinadas. R.G.N.B.S.M. Servicio de Publicaciones del Principado de Asturias. 3. Peng, S.S., Chiang, H.S. Longwall mining . Wiley-Interscience Publication. U.S.A., 1984. 709 pp. 4. Rodríguez Díez R., Toraño Álvarez J., Cudeiro Cudeiro O. Aplicación del Método de los Elementos Finitos al cálculo de hundimientos y deformaciones inducidos por excavaciones mineras . IV Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería. Sevilla, Junio 1999. 5. Toraño Álvarez, J. Rodríguez Díez, R. Aspectos prácticos de las técnicas de seguridad integrada contenidos en los fundamentos teóricos de las excavaciones y del sostenimiento de labores subterráneas .
I Jornadas sobre Seguridad en Minería e Industrias afines, aplicada a las Enseñanzas de Ingeniería. MINER, Dirección General de Minas. Madrid Junio 1999. 6. Wilson, A.H. The stability of underground workings in the soft rocks of the coal measures . Ph. D. Thesis. University of Nottingham., U.K.
CORRESPONDENCIA Persona de Contacto: Javier Toraño Álvarez (Profesor Titular) Dto. de Explotación y Prospección de Minas, Universidad de Oviedo E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo, Independencia 13, 33004 Oviedo, Asturias Teléfono: 98 510 42 54 FAX: 98 510 42 45 e-mail:
[email protected]
