3 técnicas de sostenimiento en minería subterránea

Para minimizar las inestabilidades de la roca alrededor de las aberturas mineras, debe aplicarse diversas técnicas de sostenimiento. Entre ellas se encuentran las cimbras metálicas, las gatas y el relleno, según detalla el Manual de Geomecánica aplicada a la prevención de accidentes por caída de rocas de la SNMPE.

Cimbras

Las cimbras metálicas son un típico sostenimiento pasivo o soporte utilizado generalmente para el sostenimiento permanente de labores de avance, en condiciones de masa rocosa intensamente fracturada o muy débil, que le confieren calidad mala a muy mala, sometida a condiciones de altos esfuerzos. Para lograr un control efectivo de la estabilidad en tales condiciones de terreno, las cimbras son utilizadas debido a su excelente resistencia mecánica y sus propiedades de deformación, lo cual contrarresta el cierre de la excavación y evita su ruptura prematura. La ventaja es que este sistema continúa proporcionando soporte después que hayan ocurrido deformaciones importantes.

Las cimbras son construidas con perfiles de acero, según los requerimientos de la forma de la sección de la excavación, es decir, en forma de baúl, herradura o incluso circulares, siendo recomendable que estos sean de alma llena. Hay dos tipos de cimbras, las denominadas “rígidas” y las “deslizantes o fluyentes”. Las primeras usan comúnmente perfiles como la W, H, e I, conformadas por dos o tres segmentos que son unidos por platinas y pernos con tuerca. Las segundas usan perfiles como las V y U, conformadas usualmente por tres segmentos que se deslizan entre sí, sujetados y ajustados con uniones de tornillo.

Los accesorios en este sistema de sostenimiento son los tirantes de conexión de las cimbras, el encostillado y los elementos de bloqueo. Los tirantes pueden consistir de varillas de fierro corrugado o liso generalmente de 1” de diámetro u otro elemento estructural. El encostillado puede ser realizado con planchas metálicas acanaladas y en algunos casos en las minas se utilizan tablones de madera. Los elementos de bloqueo pueden ser la madera o los bolsacretos, estos últimos son sacos conteniendo agregados con cemento, los cuales son rociados con agua para permitir su fraguado una vez colocados entre las cimbras y la pared rocosa; el concreto débil así formado proporciona un adecuado bloqueo para transferir las cargas uniformemente sobre las cimbras.

Procedimientos de instalación

Para que el sistema de soporte pueda actuar debidamente, es necesario considerar algunos aspectos importantes en su instalación.

• En primer lugar, en lo que concierne a la evolución de las cargas, es preferible que el soporte se instale lo antes posible, pues cualquier retraso ya sea en tiempo o en distancia al frente se traduce en aumento de la presión sobre el techo, si prevalecen las cargas de descompresión o roca suelta.
• Para iniciar la colocación de un tramo con cimbras, se debe proceder a asegurar el techo, lo cual se podrá realizar mediante la colocación de shotcrete temporal o marchavantes de ser necesario.
• Todas las cimbras deben estar correctamente apoyadas y sujetas al piso mediante dados de concreto, debiéndose mantener su verticalidad, para lo cual se requerirá de ser necesario, asegurar la cimbra anclándola con cáncamos a las paredes. Las siguientes cimbras a colocar se asegurarán con los tirantes y se protegerán en forma sistemática con el encostillado.
• El bloqueo de la cimbra contra las paredes rocosas es esencial para que pueda haber una transferencia uniforme de las cargas rocosas sobre las cimbras. Si no se realiza un buen bloqueo las cimbras no serán efectivas. Por lo tanto, es importante realizar correctamente esta labor.
• Es muy importante que la instalación sea cimbra por cimbra y no varias cimbras a la vez, es decir, completar la instalación de una cimbra para comenzar con la siguiente.

Control de calidad

Para que este tipo de sostenimiento funcione bien, deben cumplirse las siguientes condiciones:

• Riguroso paralelismo de los elementos.
• Adecuada adaptación a las paredes, caso contrario los elementos flexionarán hacia el exterior.
• Resistencia conveniente del conjunto, que depende de las uniones, instalación y control.
• Estrecho o apretado contacto entre la cimbra y el contorno de la roca a la cual soporta en todo su perímetro, a fin de desarrollar tempranamente su capacidad de sostenimiento, antes de que ocurran deformaciones significativas hacia el interior de la excavación.
• La supervisión de la mina no aprobará ninguna cimbra que esté mal cimentada, no conserve su verticalidad ni su alineamiento; asimismo, si estas no se encuentran correctamente topeadas a la superficie de la roca.

Estructuras naturales y artificiales de sostenimiento

Gatas

Constituyen unidades de soporte mecánico de los techos de las excavaciones, que funcionan a manera de puntales, generalmente utilizadas en el minado de rocas suaves como es típicamente el minado por frentes largos en los yacimientos de carbón; sin embargo, en el minado en roca dura tienen algunas  aplicaciones, por ejemplo, como elemento auxiliar antes de la instalación de los pernos de roca o para la instalación de la malla metálica y en el minado de vetas  de buzamiento echado, tipo manto, para complemenpilares naturales. Aisladamente se utilizan para soportar bloques o cuñas potencialmente inestables del techo de los tajeos.

Las gatas usualmente utilizadas son las de “fricción” y las “hidráulicas o neumáticas”. Las primeras funcionan a manera de tubos telescópicos, fijándose los tubos inferior y superior mediante mecanismos de cuñas o pines con la ayuda de un mecanismo expansor para el topeo al techo. Las segundas son elementos que tienen características de fluencia a una carga específica, la cual es complementada por un cilindro de soporte hidráulico o neumático equipado con válvulas de liberación de presión. Las gatas o puntales que son utilizados como elemento auxiliar antes de la instalación de los pernos o para la instalación de la malla metálica, son elementos ligeros que tienen una capacidad de carga de 10 a 15 toneladas. Las gatas o puntales pesados para soporte de techos tienen una capacidad portante de 20 a 40 toneladas. Vienen en diferentes longitudes.

Dentro de las modalidades de gatas mencionadas, existe una amplia gama de tipos, por lo que es importante ceñirse a los procedimientos especificados por los fabricantes para la instalación y desinstalación de las mismas. Particularmente se debe tomar muy en cuenta los procedimientos de desinstalación, que en esta actividad representa peligro de caída de rocas.

Relleno

Uno de los elementos ampliamente usados como medio de sostenimiento artificial en el minado subterráneo, es el relleno colocado en los tajeos vacíos.  Para demostrar el potencial del sostenimiento con relleno se consideran los tres siguientes mecanismos:

• El relleno restringe los desplazamientos de los bloques sueltos de las paredes del tajeo, lo cual previene la perturbación progresiva de la masa rocosa.
• El relleno actúa como soporte de las paredes rocosas del tajeo, las cuales están sujetas a desplazamientos inducidos por el minado adyacente.
• Si la masa del relleno es adecuadamente confinada, puede actuar como un elemento de sostenimiento global en la estructura de la mina.

Estos tres mecanismos representan el rendimiento del relleno como componente de sostenimiento superficial, local y global en la estructura de la mina. Su rendimiento como elemento de sostenimiento está relacionado a las propiedades de la roca y a las propiedades del relleno.

La historia del minado de cuerpos mineralizados y las investigaciones realizadas en los últimos 35 años, han mostrado una evolución general de los conceptos iniciales de diseño, debido al mejor entendimiento de las propiedades y rendimiento in-situ de los diferentes tipos de relleno, también del comportamiento del mineral remanente y masa rocosa circundante al tajeo. Esto está permitiendo altas recuperaciones de las reservas mineralizadas y un adecuado control de la dilución.

La ingeniería de minas moderna confiere al relleno una función estructural asociada al minado subterráneo. Según esto, el rol estructural del relleno será tener un piso para minar encima, tener un techo para minar debajo o tener una pared para minar al costado. Los dos primeros están asociados respectivamente al método de minado por corte y relleno ascendente y descendente, mientras el tercero está asociado al minado masivo de recuperación  de pilares, en el cual, el éxito del relleno está en que durante la recuperación de pilares las paredes del relleno deben permanecer autoestables. En cualquier caso, la función y la obligación de la masa del relleno, puede ser prescrita cuantitativamente, diseñando geomecánicamente el relleno como cualquier otro componente de la estructura de la mina, para satisfacer la obligación prescrita.

Los rellenos cementados que más se utilizan en la actualidad, utilizados solos o combinados, son:

• Relleno hidráulico cementado, constituido por una mezcla de relaves gruesos y en algunos casos finos, con cemento, colocado hidráulicamente en los tajeos.
• Relleno con agregados cementados, que es una mezcla de agregados gruesos y finos, graduados convenientemente, con cemento y agua, similar a un concreto pobre. Los materiales son mezclados antes de ser conducidos e introducidos al tajeo. El transporte de la mezcla puede combinar el uso de camiones y scoop o se puede utilizar también el transporte por tubería.
• Relleno rocoso cementado, constituido por una mezcla de desmonte rocoso graduado y lechada de cemento sin proceso de mezclado previo. La mezcla se produce rociando la lechada sobre el desmonte contenido en la tolva de un camión antes de depositarlo en el mismo tajeo.
• Relleno en pasta, típicamente constituido por relaves y cemento, transportados a alta densidad y con un bajo contenido de humedad. El relleno es transportado hacia el tajeo mediante tubería, y para que el material tenga propiedades de flujo. La selección de un sistema de relleno cementado dependerá básicamente de la función estructural que asumirá el relleno en una determinada situación de minado, de la economía en la producción del relleno y del rendimiento del relleno.

Publicado en la Revista Seguridad Minera nº129.