Como es de conocimiento, la mala calidad geomecánica del macizo rocoso de los Andes y, por ende, el riesgo relacionado a la caída de rocas, sigue siendo uno de los problemas y peligros más comunes en la minería subterránea y en ambientes de construcción. Los mineros dentro de la minas de los Andes por la complejidad tectónica de su formación, están muy conscientes del riesgo inherente de accidentes y posibles daños al personal y equipos que trabajan en tales circunstancias.
La madera y las vigas de acero han sido los medios dominantes de soporte en la época Republicana. Sin embargo, durante la última década, han sido otros métodos «activos» en especial el empernado de roca, los que han dominado los procedimientos de refuerzo de roca en las galerías y excavaciones subterráneas.
Todo estos criterios técnicos que se enfocan sobre los pernos de roca, simplemente es con la finalidad de acercarse al objetivo de accidentes cero en una mina, lo cual redunda en el costo de operación. Tan importante como lo anterior, es que el costo de la calidad del soporte, resulta ínfimo versus el costo de oportunidad que ocasionan los accidentes, sólo por el desconocimiento de criterios básicos en geomecánica, sobre diseños de sostenimiento.
Selección de pernos de roca
La selección de pernos de roca para el refuerzo de excavaciones subterráneas, implica el conocimiento detallado de las siguientes variables:
1. Macizo rocoso
- Estructura geológica, para definir el patrón de diseño del empernado, teniendo en consideración los cuatro tipos de efectos del perno hacia el macizo rocoso:
- Efecto arco
- Efecto viga
- Efecto suspensión
- Efecto puntual
- Tensiones originales en el área de excavación (sobrecarga, tectonismo), para la selección de pernos de roca activos y/o pasivos. Los modelos numéricos desarrollados para la evaluación de esfuerzos tectónicos, nos pueden sugerir tendencias tectónicas de concentración de esfuerzos alrededor de excavaciones, que nos permitirán aproximar de mejor forma el comportamiento roca-excavación y prevenir condiciones de inestabilidad, reforzando con pernos de roca, áreas con un negativo factor de seguridad. Ahora en los pernos de roca, también la placa de reparto (platina, arandela) es de vital importancia. Para determinar la placa más conveniente según los pernos utilizados se realiza ensayos de laboratorio, donde los gráficos esfuerzo-deformación determinarán el comportamiento de las diferentes placas que existen.
- Características geotécnicas y mecánicas de las principales formaciones (suelos y rocas) para la determinación del tipo del mecanismo de anclaje del perno de roca.
- Presencia de agua, para la determinación del drenaje y la corrosión de los pernos de roca.
2. Excavación
- Geometría y función, para la determinación de la longitud de los pernos.
- Procedimiento de construcción, para la determinación del ciclo de excavación con pernos de rocas.
- Forma y momento de la instalación del perno de roca, para la de- terminación del tiempo de autosoporte de la excavación sin soporte.
3. Perno de roca y cable
- Característica del contacto y la interacción roca-refuerzo para la determinación de la calidad del sistema de empernado de roca.
- Característica propia del perno de roca y/o cable, según normas internacionales.
- Flexibilidad y resistencia del sistema.
- Tiempo y seguridad de la instalación del perno de roca y/o cable
4. Control de calidad del efecto del perno de roca
Actualmente, la minería peruana sólo conoce los ensayos de tracción para determinar el efecto de los pernos de roca, pero lamentablemente todavía se desconocen las normas internacionales para realizar un buen control aplicando esta metodología.
Por ejemplo, en un 95% se ha visto que los equipos diseñados para el arranque de los pernos no cumplen especificaciones técnicas, primordialmente en lo que se refiere a la calibración.
Los otros ensayos que por normas internacionales tienen que hacerse a los pernos de roca son:
- Ensayo de adherencia.
- Ensayos de corrosión.
- Ensayos al corte.
5. Método del diseño de explotación
El 70% de las minas en los Andes, aplica el sistema de explotación por corte y relleno. En este sistema es necesario la sustentación inmediata del techo para limitar los movimientos después de la excavación, manteniendo la resistencia inherente de la masa rocosa.
En este contexto, la selección del sistema de refuerzo es crucial por el tiempo de exposición de un tajo antes de ser rellenado, considerando también que siempre hay un desfase entre el avance del minado y la colocación del relleno.
En muchos casos, el relleno se coloca con retraso, lo cual hace que el crecimiento de las labores de explotación genere la perturbación de la masa rocosa con las consecuentes condiciones desfavorables a la estabilidad.
Se tiene que considerar los siguientes parámetros en la selección del refuerzo:
- Deformabilidad del refuerzo.
- Garantía del efecto inicial.
- Mínima mecanización de su colocación.
- Refuerzo inmediato y seguro.
6. Otras acciones
- Efecto de las excavaciones cercanas hacia los pernos instalados.
- Alteración de la estructura rocosa (cambio de tensiones debido a la minería), en especial para aquellos pernos que tienen anclaje puntual (pernos mecánicos).
- Efectos dinámicos (voladura cercana) hacia los pernos instalados.
- Efectos del tiempo, para la estimación de la capacidad de soporte de los pernos en el tiempo.
- Condiciones de uso de la excavación, para la determinación de pernos temporales y/o permanentes.
- El estudio de estas variables se completa con la tabla de la página anterior, que es en resumen la evaluación in-situ de las características de los pernos y/o cables de roca más co- munes usados en la minería peruana.
Hasta el momento se han mantenido las conclusiones de los parámetros estudiados, pero conforme avancen las investigaciones, estamos seguros que se irán modificando para determinar el estándar de conocimiento real de la función de los pernos como refuerzo de rocas en los Andes.
Selección de refuerzos de roca
Aplicación geomecánica a los sistemas de refuerzo de roca
El siguiente es un temario geomecánico tentativo, para la evaluación de los sistemas de refuerzo en una mina y que debe ponerse en práctica cada vez que se introduce un nuevo tipo de refuerzo.
Mediante el desarrollo de este temario es fácil aprobar y/o descartar el uso de cualquier tipo de refuerzo.
Temaria para la selección de sistemas de refuerzo
— Definición del tramo a estabilizar con especialistas geomecánicos.
Operacionales:
— Evaluación técnico-económica
— Rendimiento/Productividad
— Costo
Geomecánica:
Evaluación geomecánica del sistema de refuerzo:
— Condiciones del macizo rocoso
— Patrón de empernado
— Pruebas geomecánicas (bajo normas): tracción, adherencia, corte, corrosión.
— Terreno
— Antecedentes geológicos/geotécnicos
— Litologías presentes
— Geología estructural
— Calidad de roca
— Propiedades físico-mecánicas
— Campo de esfuerzos
— Simulación computacional por elementos finitos
— Evaluación comportamiento pernos en terreno.
— Evolución de daños sistema roca-refuerzo
— Documentación gráfica (fotografía,video)
Recomendaciones
En el país, como se puede apreciar en el gráfico (abajo), los accidentes fatales por desprendimiento de rocas continúan siendo el de mayor porcentaje.
A pesar de los esfuerzos realizados por instituciones de seguridad, para disminuir los accidentes en el sector minero, el autor considera que mientras no se incorporen conceptos geomecánicos a las etapas que se desarrollan en el diseño de sistemas de refuerzo, muy poco o nada se podrá hacer para revertir este problema.
Los ingenieros que diseñan y desarrollan sistemas de refuerzo de rocas, se encuentran ante una demanda por alcanzar los niveles más altos de seguridad. Para optimizar el sistema de refuerzo de roca y hacerlo económico, al menos deben considerarse los siguientes factores fundamentales:
- La roca circundante debe sufrir el menor daño posible después de la voladura (voladura controlada).
- La superficie de la roca debe ser cuidadosamente desatada.
- El tiempo entre la voladura y el refuerzo de roca debe ser el mínimo. En cuanto ha terminado la voladura, y después de desate obligatorio, se debe instalar el primer refuerzo lo antes posible, para mantener los bloques tipo cuña en su posición original.
- Después de un periodo apropiado de tiempo, según la caracterización del macizo rocoso, se deben instalar soportes. En la mayoría de los casos esto consiste en la combinación de pernos, malla, junto con concreto lanzado.
- Cada sistema de refuerzo tiene su aplicación y directamente esta relacionado a la complejidad de la calidad de la roca donde está emplazada la mina. Por lo general, las minas en los Andes -tectónicamente muy disturbados- deben contar con un mínimo de 3 tipos de refuerzo para controlar la estabilidad, según la zonificación geomecánica en la mina.
- En los refuerzos que no utilizan algún complemento para su efecto (resinas, cemento, etc.) el control del diámetro de la perforación es fundamental para el efecto del refuerzo en el macizo rocoso. Se han dado casos, que al realizar el control del efecto de los pernos, en un gran porcentaje estos no hacían ningún efecto al macizo rocoso, concluyéndose que simplemente no hubo ninguna supervisión del diámetro de la perforación. In-situ se comprobaba el refuerzo de la excavación con pernos, pero que sólo eran «psicológicos». Es la razón por la que ahora en una excavación minera se debe definir y separar el uso de aceros de perforación para la excavación propia, de los aceros exclusivos para la instalación de sistemas de refuerzo. Debe tenerse presente que en el mercado minero peruano se han introducido copias de pernos de refuerzo, que en muchos casos SON CAUSANTES DE LOS ACCIDENTES. Su dudosa procedencia, calidad por debajo de las normas estándares sin la garantía necesaria, son parámetros suficientes para desterrar por completo, estos tipos de pernos de roca-copia. Las empresas mineras no deberían escatimar costos cuando se trata de la seguridad.
La seguridad no tiene costo, y por tal, cualquier desatención a esa palabra, puede implicar consecuencias negativas.
Por Ing. M. Sc. Gaither De La Sota Pérez para la Revista Seguridad Minera
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