Sistema de Refuerzo de Rocas

La lechada de cemento se utiliza como elemento de adherencia en conjunto con varios sistemas de refuerzo. Estos sistemas requieren un rango de propiedades físicas y mecánicas, tanto en estado fresco como endurecido.

Lechadas de Cemento

Son usadas para fijar elementos internos en la mayor parte de los sistemas de refuerzo. Por ejemplo, un barreno puede ser rellenado con lechada antes de introducir una barra, o bien, la barra puede ser ubicada primeramente en el barreno antes de que la lechada sea bombeada.

En estos dos casos, las propiedades físicas de la lechada de cemento deben ser diferentes para permitir una ubicación efectiva del refuerzo dentro del barreno. Las propiedades de la lechada pueden definir el equipo de mezclado y bombeo que se requiere.

Desafortunadamente, en muchos casos la mezcla de cemento está basada en los equipos disponibles y no en los requerimientos de diseño del sistema de refuerzo.

Sistema de Refuerzo de Rocas

Las lechadas de cemento más simples se forman por mezclas de polvo de cemento y agua para formar una pasta. Las propiedades físicas y mecánicas de la pasta dependen de las propiedades del polvo de cemento, el volumen de agua agregado y las condiciones bajo las cuales la pasta de cemento es colocada y endurecida.

Sostenimiento con Hormigón Proyectado (Shotcrete)

Las principales características que indican al concreto lanzado como un elemento efectivo del sostenimiento son:

• Previene la caída de pequeños trozos de roca de la periferia de la excavación, evitando el futuro deterioro de la roca.
• Mantiene el entrabe de las posibles cuñas o bloques, sellando las discontinuidades o grietas producidas por voladura.
• La acción conjunta del concreto lanzado y la roca produce una fuerza tangencial en la interfase que impide que la roca y el concreto lanzado se deformen en forma independiente.
• La estructura interna consta de agregados más finos y mayor cuantía de cemento. La proyección forma poros aislados que mejoran la resistencia al congelamiento y deshielo.

Propiedades del Hormigón Proyectado

• Colocación por capas que interrumpe la continuidad de fisuras.
• Excelente adherencia al soporte.
• Baja permeabilidad y baja absorción.
• Mayor concentración por secado debido a la alta cuantía de cemento.

Materiales

Deben cumplir con las normas que regulan el concreto convencional. Se exigen gradaciones finas, ya que las gruesas obstruyen el equipo e incrementan el rebote. Las gradaciones muy finas no generan adherencia y también caen.

Agregados

Prestar atención a la densidad y absorción, que son índices de calidad.

Calidad

Misma calidad que los agregados de concreto normal: limpios, resistentes, duros y de granulometría apropiada.

Forma

Deben preferirse agregados rodados o redondeados a los de trituración o chancados, ya que se reduce el rebote.

Humedad

Óptima entre 3% y 6% para vía seca.

Cemento

• Cemento Portland tipo 1 y 3.
• Cemento puzolánico.
• Cemento siderúrgico o adicionado.
• Resistencia al ataque químico.
• Cemento adicionado con microsílice.
• Aditivos reductores de agua.

Agua

Se debe cumplir con los requisitos de agua para el amasado de concreto. Se considera apta para la elaboración de concreto toda agua sin color apreciable ni olor desagradable. Se preferirá, en general, agua potable.

Fibras de Refuerzo

Deben cumplir con los requisitos de la norma ASTM 820 tipo 1. La fibra es la única diseñada para reemplazar la malla electrosoldada. Debe poseer anclajes mecánicos en los extremos y el acero debe tener bajo contenido de carbono.

Aditivos Acelerantes de Fraguado

Se prohíben los aditivos alcalinos. Los aditivos libres de álcalis, que son óxidos, hidróxidos y carbonatos de los metales alcalinos, actúan como bases fuertes y son muy hidrosolubles, de tacto jabonoso. Pueden ser bastante corrosivos, como para quemar la piel, al igual que los ácidos fuertes.

El sistema de shotcrete de tipo vía seca presenta mayor riesgo porque produce mayor polución.

Preparación de la Mezcla Seca

Se mezcla y sale en forma de impulsión. El material es impulsado por aire comprimido hacia la boquilla. En la boquilla se introduce agua con aditivo a través de un anillo perforado que distribuye homogéneamente. El material es lanzado a alta velocidad.

Ventajas

• Se facilitan ciertas condiciones de aplicación.
• Mayor energía de compactación y mayor densidad de la mezcla colocada.

Desventajas

• Gran polución de polvo.
• Mezcla controlada por el operador de manera empírica.
• Dosificación irregular en sus resultados.
• Baja producción.
• Gran variación de resultados y alto rebote.

Cómo Optimizar el Uso de Shotcrete Vía Seca

• Controlando la dosificación de la mezcla.
• Controlando la dosificación del agua durante el lanzado (relación agua/cemento).
• Controlando la distancia de lanzado.
• Realizar ensayos frecuentes para optimizar y/o mejorar el diseño.
• Mayor densidad agua/cemento.

Shotcrete Vía Húmeda

Mezcla húmeda de agregados, cemento, agua y aditivo. Control de dosificación de acelerante y volumen de aire en la bomba. Tiene un rendimiento de 4 a 5 m³/hora y obtiene un rebote del 10%.

Ventajas

• Mayor control sobre la relación agua/cemento.
• Permite el uso de plastificantes.
• Mejor distribución de agua en la mezcla.
• Menor rebote que en vía seca.
• Mejor rendimiento de colocación.
• Mayor homogeneidad entre capas.
• Permite el uso de equipos de bombeo de concreto normal.

Desventajas

• Equipos más costosos con mantenimiento más exigente.
• Mayor logística y coordinación de la planta de mezcla y la obra.
• Menor calidad en la compactación que en la vía seca.
• No es eficaz donde hay filtraciones de agua.
• Equipos grandes y limitados para labores pequeñas.

Diagrama de Fortificación

Fortificaciones Rígidas

Son las que sostienen sin permitir ningún movimiento de la roca. Deben ser bastante resistentes para sujetar los bloques que pueden caerse. En la actualidad, solo se usan en las bocas de las minas o sectores donde, por razones tectónicas, de mala calidad de la roca o explotaciones hundidas antiguas, se ha perdido totalmente las propiedades resistentes de la roca. Los sistemas más usados para estas fortificaciones son los marcos, que pueden ser de madera o acero.

Fortificación Flexible

Permiten deformaciones de la roca, con lo que se alivian los esfuerzos y, al deformarse, mejoran sus propiedades resistentes. Son la mayoría de las fortificaciones modernas, como: marcos deslizantes, cintas, marcos noruegos y, en su mayor parte, pernos de anclaje y cables.

Protectores de Techo

En minas de manto donde se usan métodos por hundimiento, se utilizan fortificaciones móviles. Los más conocidos son escudos, pilas y postes que avanzan con la explotación, permitiendo el hundimiento del estéril atrás.

En algunas minas, para adelgazar o recuperar pilares, se usan pilares artificiales que pueden ser bolsas con una válvula por donde se introduce mortero a presión que después se solidifica, formando un pilar.

Grouting

Son inyecciones de cemento o resina que tienen un tiempo de fraguado para que ingresen en la fisura y después la consoliden. La presión de inyección y el tiempo de fraguado se deben estudiar de acuerdo a las fisuras o grietas de la roca. Se usa principalmente para eliminar filtraciones de agua o consolidar sectores fracturados.

Sistemas de Protectores de la Roca

Las rocas se deterioran por efecto del agua, que transporta oxígeno, y por intemperización al contacto con el aire. Para protegerlas, existen pinturas especiales y lo más utilizado es el shotcrete, que al colocarse a presión sella las grietas, eliminando la entrada de agua. Además, sirve como capa protectora de la roca.

El shotcrete, por ser una capa delgada, no ofrece soporte, pero agregándole fibras o alambres se produce una textura pilotaxítica que da una buena resistencia para capas de shotcrete del orden de 5 cm. Se usa para proteger la roca. La gunita es mucho más popular y mejor.

Fortificación de Madera

Las funciones son evitar desprendimientos o caídas de rocas que puedan lesionar al personal o dañar equipos e instalaciones. Hay que recordar que el 30% a 40% de los accidentes en la minería subterránea ocurren por caídas, deslizamientos o derrumbes de rocas.

Los Sistemas de Fortificación

Fortificación de Madera

Fue el sistema más utilizado hasta la Segunda Guerra Mundial, cuando comenzó a ser desplazada por el acero. Sus principales desventajas son que es un material altamente combustible y que se degrada fácilmente por organismos parasitarios.

Fortificación con Arcos de Acero

Es un sistema muy utilizado, ya que el acero es uno de los elementos que mejor resiste el agresivo ambiente minero, especialmente en lo relacionado a temperatura, humedad, gases y agua. Además, el acero tiene dos características de gran relevancia en la minería subterránea: es un elemento incombustible.

Acuñadura

Al construir labores subterráneas, se extrae un volumen de masa rocosa, lo que provoca cambios en las condiciones naturales de equilibrio. Se crean espacios, los cuales quedan sometidos a fuerzas que convergen hacia el espacio vacío, provocando grietas en el techo y las cajas, y pueden generar el desprendimiento de rocas sueltas o planchones. Este desprendimiento puede favorecerse por condiciones inadecuadas:

• Características y condiciones determinadas de la masa rocosa.
• Forma y dimensiones de la excavación.
• Método empleado producido por tronadura.
• Presencia de agua.

Estas condiciones aumentan el agrietamiento de la roca con el tiempo.

La prevención de los riesgos comienza con un adecuado diseño de labores mineras, con un correcto diagrama de disparo y una adecuada dosificación de explosivos. No obstante, la acuñadura es fundamental para el mantenimiento de labores seguras y la fortificación en aquellos casos que no presenten la condición de autosoporte. De esta manera, el objetivo de estas acciones es asegurar la estabilidad física de las labores de las obras en minas subterráneas.

Fortificación

La fortificación es el conjunto de procedimientos que permiten mantener estables las labores cuando su condición no es autosoportante en una mina subterránea.

El Rol Fundamental de la Fortificación es

• Mantener labores seguras y con una sección y dimensiones suficientes para la circulación del personal y equipos.
• Impedir el desmoronamiento de material fracturado.
• Disminuir el movimiento de las cajas, techo y piso.
• Mantener la cohesión de los terrenos.

El reconocimiento y tratamiento oportuno del terreno peligroso mediante fortificación es vital para evitar que se produzcan accidentes.

Observación del Terreno

Para identificar qué requiere fortificación, existen diferentes maneras de detectar aumentos de presión en las labores, tales como:

• Desplazamiento de cuñas, fracturas, fallas u quiebres que se encuentren en el terreno.
• Desvío de pisos o cajas de algunas galerías, así como el tapado o forma ovalada que toman las perforaciones.
• Deformación o quiebres de pernos y maderas; el pandeamiento de mallas que tienen roca suelta sobre ella; ruidos extraños, fuertes o repetitivos; o goteo del cerro.
• Observación de rocas nuevas en el piso de las labores.

Todo lo anterior es señal de posible desprendimiento de material, por lo que debe informarse al responsable de la faena. Existen varios métodos de fortificación, siendo la enmaderación el más empleado en la pequeña minería. Si el caso lo amerita, eventualmente se podría considerar la utilización de pernos de anclaje, mallas de acero tipo bizcocho, hormigón proyectado o shotcrete, y marcos de acero.

Causas de los Accidentes por Caída de Roca

• No acuñar: Es el más torpe de los accidentes. Se produce por considerar la actividad como innecesaria o como pérdida de tiempo. Su causa suele ser la exagerada confianza por el conocimiento de la actividad.
• Acuñar de forma deficiente: Se produce cuando los trabajadores solo hacen un examen visual de la zona de riesgo y se limitan a botar solo aquellas piedras que a simple vista se aprecian sueltas.

Definición de Acuñadura

Técnica obligatoria, permanente y controlada para detectar y botar roca o planchón que se encuentre suelto o abierto, ligeramente desprendido del techo o las cajas, con posibilidad de soltarse, para evitar que estos caigan en un momento imprevisto y puedan ocasionar graves consecuencias. El personal que desarrolla esta actividad debe estar adecuadamente entrenado, de manera que sepa dónde y cómo ubicarse, y cómo manejar eficientemente las herramientas para realizar esta labor. En las operaciones subterráneas, el trabajador se encuentra expuesto a este riesgo desde el momento en que entra a las labores hasta que sale de ellas.

Cómo Acuñar

El momento oportuno para realizar la acuñadura durante las operaciones cotidianas mineras es una de las situaciones que los trabajadores no tienen muy clara. Las rocas pueden permanecer sueltas durante un período determinado de tiempo, como también una roca puede debilitarse en cualquier momento y quedar a punto de caer. Por tanto, la operación de acuñadura debe hacerse en todo momento, dependiendo indudablemente de las condiciones que se presentan en la galería.

Al Momento de Llegar al Lugar del Frente

Dónde dependerá fundamentalmente del tiempo de trabajo que se está ejecutando: desarrollos, frentes productivos, composturas, etc. Es decir, para cada operación habrá una respuesta diferente. Debe acuñarse, en primer lugar, la zona donde se ha tronado, el lugar donde se trabajará exactamente y los lugares no fortificados donde transita el personal. Durante el desarrollo de una galería, la frente debe ser acuñada permanentemente por el personal, sin necesidad de que ello sea motivo.

Procedimiento de Acuñadura

Se debe determinar la zona a acuñar, probando la firmeza del techo y costados, golpeando la roca con uno de los extremos de la barretilla. Se debe comenzar por la parte fresca, de manera que el sonido metálico o la fuerte vibración de la barretilla que ocurre en este caso pueda diferenciarse del sonido apagado, con poca o ninguna vibración cuando se golpea. La revisión del estado de la labor y su acuñadura debe efectuarse con un mínimo de dos personas.

Al acuñar un determinado sector, se debe prohibir el paso de personas o vehículos hasta que el sector se encuentre seguro, colocando barreras o letreros avisando de esta medida. Se debe verificar en la zona de acuñadura la existencia de instalaciones eléctricas o cañerías de aire comprimido o agua, que deberán protegerse por la eventual caída de planchones sobre ellas.

Normas para Efectuar la Acuñadura

La secuencia para la revisión y acuñadura en galerías debe comenzar en el techo y continuar en las cajas, en ambos casos desde atrás hacia la frente de trabajo:

• Fractura del terreno.
• Planos de falla.
• Rocas sospechosas.
• La acuñadura debe efectuarse con adecuada iluminación.
• Los acuñadores deben tener un largo adecuado a la sección.

Situaciones Especiales

En caso de que haya planchones que no se desprendan, se debe considerar:

• Aislar el área peligrosa con barreras y avisos.
• Colocar soportes al planchón peligroso, que pueden ser de madera.
• En caso de ser transitorio, el planchón debe eliminarse mediante explosivos.
• Si las condiciones lo permiten, el planchón se podrá perforar y colocar pernos de anclaje.
• En sectores grandes afectados por caídas de rocas, acuñar y limpiar.

Procedimientos

• En ningún caso debe dejar un planchón sin control.
• Debe impedirse el acceso a labores abandonadas o con peligro de caída de rocas, colocando barreras y señalización.
• Siempre se debe escuchar y mirar atentamente en las zonas de trabajo. Si se perciben crujidos y goteos, hay peligro de planchoneo.
• Es importante que nunca se introduzca la herramienta de acuñadura en fondos de tiros, en tiros quedados o con restos de explosivos.

Anclajes de Cables de Acero

Los pernos y cables se encargan de incrementar la resistencia del macizo rocoso en el que se encuentran instalados, fijando cualquier tipo de roca suelta o estrato, anclándola profundamente a la roca madre o mejorando la fricción entre discontinuidades. Sin embargo, para comprender cómo actúan, es necesario identificar cómo se desprenden los bloques de roca. Cuando se tiene una excavación, existen ciertos riesgos que se deben tener en cuenta, entre ellos la posibilidad de caída de material por deslizamiento o planchoneo causado por fracturas y otros planos que presenten debilidad. Por otro lado, se debe considerar la geometría de la galería, dado que se tiene una mayor concentración de esfuerzos en las esquinas del túnel. Si esta carga supera la resistencia del macizo rocoso, se genera una rotura por corte que conlleva un deslizamiento y dilatación lateral, tanto en la roca que se desprende como del macizo en sí. También se puede tener un deslizamiento mediante planos de fracturas y otras discontinuidades. Por ejemplo, el efecto de gravedad puede desencadenar un movimiento de bloques en algunas estructuras, con ello la caída de un fragmento de roca.

Una forma de minimizar o limitar el deslizamiento de bloques de roca es mediante la instalación de pernos, con los cuales se permite la transferencia de carga desde la zona debilitada hacia el mismo perno y, posteriormente, hacia la roca más estable distante de la excavación, de la siguiente forma:

• Suspensión o anclaje de bloque: Se fija una capa débil con pernos a una capa superior fuerte.
• Resistencia a los esfuerzos axiales y de corte: Cables y pernos instalados en un posible plano de falla van a resistir la deformación asociada.

De esta manera, en el perno y en el cable se genera una carga de anulación que contrarresta, en lo posible, el movimiento. Cabe destacar que cuanto mayor y más firme sea la unión entre el perno y la masa rocosa, se tiene una mejor transferencia de carga y una mayor resistencia al desplazamiento por corte.

Durante la instalación, un factor a considerar es el tensionado del cable, con el cual se pretende entregar una anulación axial adicional a la zona de instalación, a costa de disminuir su capacidad disponible para resistir la dilatación del techo. Los pernos de cable son flexibles, compuestos por un conjunto de alambres de acero unidos a una hebra principal, los cuales son instalados con lechada en una perforación. Dependiendo de las características solicitadas, se pueden tener diversas configuraciones o arreglos de los alambres. Cabe destacar que la capacidad de este tipo de perno se transfiere al macizo rocoso mediante lechada. En caso de muros anclados, es muy común observar este tipo de obra a lo largo y ancho de importantes tramos carreteros, en donde parte de la calzada ha colapsado al producirse una disminución en la resistencia al corte de la masa de suelo. Estos problemas han sido satisfactoriamente resueltos a través de pantallas o muros atirantados.

En este sentido, cabe destacar que en las construcciones civiles se viene utilizando cada vez con mayor frecuencia y éxito los anclajes inyectados para sostener muros y absorber momentos volcadores. Como ocurre en las torres de alta tensión y en las presas, para resistir las fuerzas volcadoras debidas al agua, así como en otras numerosas obras, la fuerza de tracción se transfiere al terreno hasta una zona más profunda y estable, por tanto, de mayor capacidad. En estas condiciones, la resistencia tangencial de la masa de suelo o roca circundante al miembro estructural es lo empleado. En lo referente a obras subterráneas, tales como galerías y túneles de viabilidad, el problema fundamental que se plantea es el de asegurar el sostenimiento mediante anclajes durante y posteriormente al período de excavación, definiendo y construyendo un soporte y revestimiento capaz de asegurar la estabilidad definitiva de la obra. Lo mencionado anteriormente es de vital importancia, por cuanto la concentración de esfuerzos en la vecindad de la excavación puede ser causante de que la roca fracturada pueda desplazarse, comprometiendo la estabilidad de la bóveda y de los hastiales del túnel. Cabe destacar que el sistema de muros anclados o sistema de contención por medio de anclajes, ya sean activos o pasivos, es cada vez de mayor utilización.