Resumen
Los sismos y daños por rockburst (estallido y desplome de rocas) en minería subterránea de profundidad son amenazas comunes a nivel mundial, incluyendo el Perú. La mayoría de los sistemas de sostenimiento estándares no cumplen o son limitados en su capacidad frente a cargas dinámicas causadas por estas amenazas.
La malla romboidal de acero de alta resistencia ha probado su alto rendimiento y su idoneidad para su aplicación como sostenimiento contra voladura de roca o en caso de estratos altamente deformables en pruebas estáticas y dinámicas realizadas por la Western Australian School of Mines (WASM).
Debido a la elevada resistencia del alambre de acero (min. 1770 MPa = N/mm2) y su aptitud de alta deformación de la malla, este sistema de sostenimiento subterráneo es aplicable en ambientes de grandes solicitaciones de esfuerzos. Un brazo automatizado para desenrollar malla romboidal de alambre de acero de alta resistencia fue desarrollado y probado exitosamente en Australia para la utilización en trabajos de sostenimiento subterráneo.
Este brazo, compatible con cualquier «jumbo» de perforació de brazos múltiples, sirve para colocar la malla enrollada en un sistema de bobina. Dicho equipo sujetador de la malla es ensamblado a un brazo del jumbo, mientras que la perforadora o split-set para los anclajes es ensamblada en otro brazo del jumbo. La innovación en la colocación de malla romboidal de alta resistencia y la implementación mecanizada de split-sets o pernos se realiza al mismo tiempo aumentando por tanto, la seguridad del personal minero así como la rapidez en la producción o desarrollo de la mina.
Introducción y objetivo
El sostenimiento primario en operaciones mineras subterráneas sin amenaza de rockburst principalmente consiste en malla electrosoldada y anclajes de fricción. A mayor profundidad, las minas sufren por aumento en la sismicidad y daño asociado por rockburst. Para cumplir con esta amenaza, han sido introducidos rock bolts especialmente diseñados, con mejor capacidad de absorción de energía y de elongación.
Este anclaje también se ajusta con ambientes de alta deformabilidad, sin embargo, entre los bolts se requiere una superficie de soporte y la única estrategia hasta el momento ha sido de utilizar fibras gruesas o concret lanzado (shotcrete), reforzado por malla electro-soldada. Esta aplicación tiene la tendencia ser costosa y lenta en su instalación. Además, tiene un comportamiento muy rígido y reacciona por esto poco o insuficientemente a impactos dinámicos. La consecuencia es la repetición de dichos trabajos en caso de fallas.
Los paneles de malla electro-soldada son fáciles de maniobrar. Además, esta malla es suficientemente fuerte y rígida para prevenir desprendimientos y caídas de rocas de menor tamaño y para prevenir que se enrede el techo del túnel, pero esta malla no tiene la aptitud para poder absorber mayores impactos dinámicos. Las uniones electrosoldadas son quebradizas y usualmente se rompen primero, seguidas por falla del alambre cuando las cargas se aumentan.
Las mallas de simple torsión hechas de alambre de acero de alto límite elástico (min. 1770 MPa = N/mm2) mostraron un desempeño alto y bueno en pruebas de desprendimientos o caídas de rocas y de rockburst. Por la combinación de su alta resistencia y de su flexibilidad, la malla fue capaz de absorber la energía cinética, amortiguando así las masas de roca que impactaron. La resistencia alta de la malla es requerida para poder transferir las fuerzas resultantes por un impacto de rockburst hacia los anclajes y para evitar punzonamiento a la malla por el impacto de las masas de roca.
Con el fin de usar esta malla de alto rendimiento como un producto estándar para sostenimiento subterráneo, ha sido necesario desarrollar un método seguro, rápido y automatizado de instalación. El objetivo de este trabajo es de proveer a operadores de minas una solución eficiente y efectiva para poder instalar rollos de mallas romboidales/ simple torsión de alta resistencia.
Además, fue considerado deseable que este nuevo equipo sujetador de malla puede ser usado con equipo de perforación usualmente aplicado en minas subterráneas, obviando así la compra de jumbos nuevos.
Malla simple torsión/ romboidal y de alta resistencia para sostenimiento subterráneo
La malla romboidal/simple torsión TECCO® es hecha de alambre de acero de alta resistencia con diámetro de 4 mm y con alto límite elástico del acero de 1770 MPa = N/mm2 en mínimo. Este alambre de acero de alto rendimiento tiene una resistencia excelente tanto a corte como a impactos. La apertura de la malla tiene forma romboidal y a lo largo de los bordes laterales del rollo, los alambres son doblados y doblemente torsionados de manera que esta conexión es tan fuerte como la malla misma (véase Figura 1a).
La malla es fabricada en rollos y puede ser manufacturada en anchos hasta 5 m y en longitudes hechas a medida (véase Figura 1b). Por el uso de alambre de alto límite elástico, la malla es muy liviana en relación con su resistencia. Para la protección contra la corrosión, el alambre tiene una capa especial de aleación de aluminio y zinc, lo que tiene una resistencia superior contra corrosión comparado a galvanización estándar en caliente.
La geometría de dicha malla fue diseñada de manera que tenga una resistencia altísima a cargas de rotura y una característica de baja deformación, evitando así tanto tasas inadmisibles de deformación o de desplazamiento como de enredarse después de un impacto de rockburst. Las propiedades de resistencia de la malla fueron determinadas en varias series de pruebas en la Universidad de Cantabria. Las propiedades de la malla TECCO® G80/4 con diámetro de alambre de 4 mm son resumidas en la Tabla 1.
Pruebas con malla romboidal/simple torsión de alta resistencia
Para la determinación de las propiedades mecánicas de la malla de acero de alta resistencia, fueron realizadas pruebas extensivas tanto estáticas como dinámicas por la Western Australian School of Mines (WASM). Para el dimensionamiento del sistema de sostenimiento consistente de malla y anclajes, fue desarrollado un modelo numérico con base en elementos finitos, calibrado y verificado por el Swiss Federal Research Institute (WSL).
Pruebas estáticas
La respuesta estática de la malla romboidal / simple torsión de alto rendimiento fue determinado por trabajos de prueba en los laboratorios del WASM. Se trabajó con tres muestras individuales en tamaño de 1.3 m x 1.3 m de la malla de alta resistencia tipo TECCO® G80/4 que fueron sometidas a esfuerzos por una placa de acero de 300 mm x 300 mm. La malla de alta resistencia TECCO® G80/4 (límite elástico de acero 1770 MPa = N/mm2 mínimo) fue capaz de resistir cargas de 100 a 110 kN antes de fallar en la esquina de la placa de carga. En comparación, la malla electro-soldada falló con 40 kN aproximadamente, y otra malla genérica simple-torsión hecha de acero de bajo contenido de carbono (límite elástico de acero de 450 MPa) falló por cargas de menos de 20 kN, aplicando el mismo principio de prueba. Todos tipos de mallas requieren un cierto desplazamiento al inicio para ser activados y sometidos a esfuerzos. La rigidez tanto de la malla romboidal/simple torsión de alta resistencia como de la malla electro-soldada fue evaluado ser similar y depende más de las condiciones de sujeción que del tipo de la malla.
Se vio que la malla romboidal/simple torsión de alta resistencia aún puede resistir un aumento de carga en caso de falla de un alambre sin enredarse. En 1999, Ruegger probó dicha malla en manera parecida a su aplicación en minería subterránea (con cuatro anclajes y placas) y concluyó que la falla principalmente empezaba en los puntos de unión de la malla pero que la malla no era cortada por la esquina de las placas, dado por la calidad más alta de la malla comparado a la calidad más baja del acero de las placas.
Pruebas dinámicas
Aplicando el método de «momentum transfer» la malla romboidal/ simple torsión de alta resistencia fue ensayada en las instalaciones de pruebas dinámicas de WASM.
La malla es instalada en un bastidor de carga, donde un peso de acero puede ser lanzado en caída libre desde alturas diferentes a la malla. La prueba dinámica es completamente instrumentada con cámaras de alta velocidad, celdas de carga y acelerómetros.
La Figura 3 muestra una secuencia dada por la cámara de alta velocidad, donde una masa de 1000 kg (saco llenado con esferas de acero para rodamiento) impacta a la malla romboidal/simple torsión de alta resistencia. Dicha malla se deforma de acuerdo con la carga aplicada y transmite las fuerzas al borde. Las condiciones de sujeción son fijas/inamovibles para tener resultados repetibles y comparables.
Bajo de esta configuración, la malla romboidal/simple torsión de alta resistencia fue capaz de absorber energías hasta 10 a 12 kJ, lo que corresponde a frenar una masa de rockburst de 1000 kg que había sido acelerada anteriormente a una velocidad de 4.5 a 5 m/s. El valor mencionado representa solamente la absorción de energía por la malla y no incluye ni amortiguación de energía por la masa de roca por sí misma, ni por el trabajo de los anclajes. En comparación, las mallas electro-soldadas (con diámetro de alambre de 5.6 mm y luz de 100 mm entre alambres) mostraban capacidades de absorción de energía en el orden de 1 a 2 kJ bajo el mismo sistema de prueba.
Modelo numérico
Para la modelación numérica, fue utilizado un algoritmo, capaz de manejar deformaciones largas y también impactos dinámicos: un código con base en elementos finitos discretos (FEM) y un modelo con elementos de cables y entramado (red de puntos). Para la modelación (simulación) de impactos dinámicos, es aplicada la segunda ley de Newton junto con las propiedades de materiales de cada componente (time-stepping). El software FARO fue desarrollado por el Swiss Federal Institute of Technology (ETH) y junto con el Swiss Federal Research Institute WSL.
La Figura 4(a) muestra la prueba estática realizada por Roth et al. (2004) con la malla de alta resistencia y una separación de anclajes de 1m x 1m, sometiendo la malla a esfuerzos por un bastidor de acero tensionado hacia arriba. Estas pruebas fueron utilizadas para calibrar el modelo numérico como se muestra en Figura 4(b). Con el modelo del FEM calibrado es posible de llevar a cabo simulaciones dinámicas y pronosticar así fuerzas, modos de falla y deformaciones de diferentes componentes.
Mediante un modelo numérico calibrado de un sistema de sostenimiento subterráneo con un tipo específico de malla de alta resistencia, es posible simular la respuesta dinámica para cualquier configuración y esfuerzos. Se permite de ajustar los parámetros de entrada a los parámetros específicos de proyecto, y así, pueden ser determinados tanto la distribución de los anclajes como las deformaciones máximas.
Esto posibilita el dimensionamiento y un diseño adecuado para este tipo de sostenimiento subterráneo contra esfuerzos dinámicos. Es muy importante tener un sistema de sostenimiento con componentes que tengan comportamientos similares entre sí. Con el modelo numérico calibrado es posible de combinar diferentes tipos de anclajes con la malla de alta resistencia, y determinar así si trabajan juntos bajo condiciones dadas. Por el hecho que siempre hay concentraciones de cargas en las placas de transmisión de fuerzas, pueden ser transmitidos esfuerzos mayores por el uso de placas especiales que permitan agarrar más alambres.
Instalación de malla romboidal/simple torsión de alta resistencia en túneles
La diferencia en la instalación de una malla electro-soldada y de una malla simple torsión es la rigidez de los productos. La malla electrosoldada es relativamente rígida y es suministrada y aplicada en laminas. La malla simple torsión solamente es rígida en una dirección pero permite rollarla en otra dirección. Por esto, aquella es suministrada en rollos (Figura 1) y tiene que ser instalada de manera diferente comparada a la malla electro-soldada.
Muchas veces, se realiza una instalación manual de malla simple torsión mediante plataformas móviles de tijeras elevadoras o mediante carretas elevadoras armadas con cestos, pero esto requiere una labor intensiva. Por esta razón, se ha concebido una nueva manera, consistiendo en un equipo sujetador de malla para desenrollarla y sujetarla en la superficie del túnel mientras que sea anclada al macizo rocoso con el segundo brazo del jumbo. Los objetivos principales fueron la rapidez y la seguridad de la instalación con el fin de cumplir con ambos requerimientos en minería moderna.
Instalación manual de la malla simple torsión
Para instalar malla simple torsión, hay que desenrollarla alrededor del perfil del túnel, y sujetarla a los anclajes. Muchas veces, durante la instalación manual, los anclajes son puestos antes de la malla que es después sujetada a los mismos. Para este propósito, han sido utilizadas plataformas móviles de tijeras elevadoras o carretas elevadoras armadas con cestos (Figura 5).
Estos métodos tienen la desventaja de ser bastante lentos y requieren una labor intensiva. Además, es difícil llegar a la tensión óptima de la malla, lo que sería importante para minimizar mantenimiento y costos. Adicionalmente, los trabajadores tienen que instalar la malla en un ambiente todavía no sostenido (falta de overhead protection) lo que no cumple con los últimos estándares de seguridad.
Instalación totalmente mecanizada con equipo sujetador de malla
Un equipo sujetador automatizado para rollos de malla romboidal/simple torsión de acero de alta resistencia fue desarrollado y probado exitosamente en Australia para la utilización en trabajos de sostenimiento subterráneo. Este brazo, compatible con cualquier jumbo de perforación de brazos múltiples, sirve para colocar la malla enrollada en un sistema de bobina.
Dicho equipo sujetador de la malla es ensamblado a un brazo del jumbo, mientras que la perforadora o split-set para los anclajes es ensamblada en otro brazo del jumbo. La colocación de malla y la implementación mecanizada de split-sets o perno (bolts) se realiza al mismo tiempo.
El primer brazo con el equipo sujetador de malla (Figura 6) puede sujetar el rollo de malla, y desenrollarlo a lo largo de la superficie del túnel (transversal al eje del túnel).
Para ajustar la malla entre los anclajes, el brazo es armado con un sistema para tensionar y soltar la malla por rotación de la bobina hacia delante y hacia atrás en ambas direcciones. Mientras tanto, el segundo brazo puede anclar la malla al macizo rocoso. Esto es ejecutado paso a paso con el fin de tensionar la malla tanto sea posible y así tenerla sujetada de manera correcta a la superficie del túnel.
Este sistema reduce el manejo manual, la exposición del personal en zonas peligrosas durante el proceso de instalación y el tiempo de ciclo de sostenimiento. Aparte de esto se aumenta la calidad del sostenimiento tanto por el dimencionamiento y el diseño adecuado como por la aplicación de la malla de alta resistencia que es más tensionada y mejor adherida a la superficie de la roca, reduciendo además el efecto de enredarse o conformación de bolsas.
Otro aspecto importante es que ningún personal es expuesto directamente a la zona todavía no sostenida gracias al equipo mecanizado y por la aptitud del jumbo de sostener la bobina con el rollo de malla TECCO® con un brazo, moverla hacia la zona de trabajo y manejarla allí.
Prueba de instalación in-situ
Para poner el equipo sujetador de malla en marcha y para probarlo, fue realizada un ensayo en condiciones reales en una mina subterránea en el oeste de Australia con malla romboidal/simple torsión de alta resistencia y con 2 m d ancho del rollo. El equipo fue ensamblad a un jumbo tip Sandvik con dos brazos, que pertenecía y operaba por la empresa de minería. El alimentador existente fue removido de uno de los brazos y el equipo sujetador de malla fue ensamblado allí. El circuito hidráulico existente fue utilizado para el control de función de dicho equipo nuevo (Figura 7).
Existieron unas dudas que la malla formaría bolsas y permitiría a bloques largos o detritus de rocas de acumularse allí. La prueba en circunstancias reales mostró que no era así, y tan pronto como la malla había sido anclada a los paredes y al techo de túnel, se notó que la malla seguía la superficie del macizo rocoso y que estaba bien sujeta por la tensión aplicada en la instalación, lo que resultó en una textura suave y plana en la zona sostenida.
La prueba de instalación demostró que fue posible de instalar una malla romboidal/simple torsión del alta resistencia en menos tiempo que una malla electro-soldada estándar aún cuando por primera vez el operador del jumbo utilizaba equipo nuevo en un brazo. Con la optimización del proceso de instalación, va a ser posible de tener un ciclo de sostenimiento mecanizado con malla de alta resistencia aún más rápido, sin comprometer la seguridad de la operación.
Conclusiones
En base a pruebas exitosas con malla romboidal/simple torsión de alambre de acero de alta resistencia tanto estáticas como dinámicas, se verificó que dicho tipo de malla es adecuado en áreas de rockburst o en ambientes de alta deformabilidad con grandes solicitaciones de esfuerzos.
En contraste con concreto lanzado (shotcrete) o alternativamente reforzado con fibras (fibracrete), el macizo rocoso queda visible para inspección por expertos, por ejemplo, en geología, geotecnia o mecánica de rocas. Para un sistema de sostenimiento contra rockburst, tienen que ser escogidos tanto anclajes (bolts) como placas adecuadas para ser combinados con dicha malla de alta resistencia. Este sistema de sostenimiento puede ser dimensionado mediante modelo numérico calibrado descrito anteriormente.
Con el método de instalación mostrado, este tipo innovador de malla puede ser instalada fácilmente y aún más rápidamente que los métodos de sostenimiento subterráneo usualmente aplicados.
Debido a la aplicación mecanizada de la malla romboidal/simple torsión se reduce el tiempo de instalación del sostenimiento. Además, pueden ser utilizados jumbos estándares multibrazos. Esta aplicación permite ciclos optimizados de trabajo y ampliación de la separación entre anclajes. El mismo tipo de malla de alta resistencia, pero con diámetro más pequeño, podría ser utilizado como malla de refuerzo de concreto lanzado (shotcrete).
Se concluye que tanto la malla romboidal/simple torsión de alta resistencia como su instalación totalmente mecanizada puede aumentar considerablemente la seguridad del personal minero, la calidad del sostenimiento subterráneo instalado (incluyendo su optimización por el dimensionamiento apropiado y adecuado a los potenciales mecanismos de falla), y la rapidez y la eficiencia en el desarrollo de la operación minera (producción).
Artículo publicado en la revista Seguridad Minera n° 98. Escrito por Patrick Schwizer, MSc. Ing. ETH; Andrea Roth, MSc. Ing. ETH; Augusto Alza, Gerente Técnico de Tecnologíade Materiales S.A.
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