3. Índice
Prólogos iv–xiii
Introducción xv
CAPÍTULO 1
Por qué utilizar bulonado con anclaje de relleno total 1
CAPÍTULO 2
Cómo funcionan los pernos 5
CAPÍTULO 3
Los pernos como apoyo al diseño 20
CAPÍTULO 4
Tipos de pernos y resinas de anclaje 42
CAPÍTULO 5
Guía para el uso de pernos anclados con resina 50
CAPÍTULO 6
Métodos de instalación y equipamiento 62
Apéndice:
Ejemplos de aplicaciones internacionales de bulonados 74
Referencias 82
Ilustraciones y figuras 84
Registro 86
Lista de contactos 88
4. El suministro adecuado de elementos para el control de los estratos,
en rampas de acceso y galerías siempre ha sido y seguirá siendo el
factor de éxito clave para garantizar la vida de una mina o de un
túnel. El éxito de un soporte para techos no sólo se mide por cómo
previene que la excavación se cierre - aunque este es el factor clave
– sino también por el impacto que tiene en los costes de la obra.
En estos momentos está aceptado internacionalmente que la
consolidación de pernos con resina proporciona un control rápido
y eficaz de los estratos, con un coste mucho menor que los apoyos
exteriores tradicionales. El desarrollo, las necesidades de aplicación
y el uso de cartuchos de resina han evolucionado en los países
con tradición minera y, como consecuencia, los requerimientos
operativos a la cápsula de resina y al elemento de refuerzo varían
enormemente. Por este motivo, Minova International se ha
propuesto realizar este manual sobre bulonado con la intención
de presentar los diferentes métodos aceptados para el uso de los
anclajes consolidados con resina.
Este manual es la culminación de treinta años de experiencia
de Minova en la fabricación y la aplicación de cartuchos de resina
en todo el mundo. Es posible que Minova disfrute de una posición
única al haber fabricado cartuchos de resina en Estados Unidos,
Australia, Polonia, Sudáfrica, Rusia, Alemania e India, y al poseer
su propia marca, Lokset®, todo ello apoyado por la experiencia
obtenida al adquirir marcas como Celtite, Titafix y CarboTech SiS.
El objetivo de este manual es proporcionar una perspectiva del
uso de anclajes como refuerzo de rocas en minas y túneles y se
centra principalmente en los bulones consolidados con resina. Los
sistemas de anclaje alternativos también se tratan a nivel general.
Este manual proporcionará al lector una idea general de la
forma en la que se pueden utilizar los anclajes consolidados con
resina. Proporcionara un enfoque general a la teoría, así como a los
Prólogo
5. Prólogo
criterios que son necesarios tener en cuenta, para crear un diseño
eficaz en un bulonado de techo. Abarca cómo actúan los bulones
consolidados con resina frente a otros tipos de bulones, el uso
correcto de los cartuchos de resina y la resolución de problemas.
El apéndice ofrece ejemplos de un enfoque plural en relación
al sistema de bulonado, por medio de breves descripciones de
consolidaciones con resina empleadas en Estados Unidos, Australia,
Sudáfrica y el Reino Unido.
Peter Bell
Director de Desarrollo del Comercio Internacional
Minova International Limited
6.
7. Introducción
Cuando se realiza una apertura en una roca, es inevitable que los
estratos colindantes pierdan su estabilidad, pero existen varios
métodos de soporte para reforzarlos. El propósito principal del
soporte es activar, conservar y aumentar la resistencia inherente (a
la tensión y el cizallamiento) de los estratos y mantener su capacidad
de sostenimiento de carga.
En este caso, el soporte se define como el método que
proporciona sujeción a la superficie de la masa rocosa,
principalmente por medio de la instalación de elementos
estructurales en la superficie: puntales de madera, arcos metálicos,
llaves de madera, mallas y material pulverizado así como gunitado.
A estos se les denomina métodos ‘pasivos’ de soporte ya que
dependen de la masa rocosa en movimiento para desarrollar su
resistencia a la carga.
Por el contrario, se considera que el refuerzo incluye métodos
que modifican el comportamiento interno de la masa rocosa por
medio de la instalación de elementos estructurales dentro de ella.
Estos métodos de refuerzo se denominan ‘métodos activos’ de
soporte.
Introducción
Una típica galería de transito con bulones
8. LA GUÍA MINOVA - PERNOS
bulones
inyectados CON
en
resina
Estos incluyen pernos de anclaje puntualmente tensados, pernos
de fricción (split sets) y pernos consolidados con resina. Estos
elementos de refuerzo activos están destinados a reaccionar ante el
movimiento de la masa rocosa, desarrollar una fuerza de refuerzo y
transferir esta fuerza de vuelta a la masa rocosa. Esto contrarresta
la fuerza motriz y puede que se alcance el equilibrio, si el total de la
resistencia movilizada dentro de masa rocosa es al menos igual a la
fuerza motriz disponible. Los bulones modifican el comportamiento
de la roca y de los estratos con los principios del refuerzo. Los
pernos actúan de forma muy similar al hormigón armado con acero.
Los pernos anclados con resina ofrecen ventajas frente a los
pernos con amarre por fricción al proporcionar una mayor fuerza de
adherencia en situaciones donde se encuentran rocas intensamente
fracturadas o débiles. También tienen un rendimiento más fiable
que los pernos por fricción si están sujetos a vibraciones.
Los pernos anclados con resina proporcionan una fuerza de
anclaje por metro lineal mucho mayor que los pernos de fricción
(split sets). Los pernos de fricción tienden a fallar si están sometidos
a cizallamiento.
Los bulones, que mejor se adaptan a aplicaciones de anclados
con resina, poseen una superficie exterior áspera o corrugada para
incrementar la eficacia de la unión, la resistencia de fricción, la
mejora de la transferencia de las cargas y la capacidad de mezcla
de las resinas. Hay varios tipos de bulones disponibles y su elección
dependerá de una serie de factores, como:
la altura del túnel o galería;
el tipo de roca;
la presencia de laminaciones, roturas y fracturas;
la dureza y la rigidez de la roca;
el emplazamiento de los estratos competentes;
el equipo de la instalación;
el tipo de anclaje, de carga puntual o de consolidación
completa;
el apoyo primario, los trabajos de recuperación;
la expectativa de vida de los túneles o excavaciones;
la presencia de agua - acción corrosiva.
Es necesario tener en cuenta todos estos factores cuando se escoje
el tipo de bulonaje.
9. CAPÍTULO 1
El objetivo que se persigue con el apernado de las rocas se puede
resumir como sigue:
‘Controlar el movimiento de los estratos que rodean la cavidad
del túnel o galería de forma que no se vea perjudicado el
espacio para realizar la función para la que fue diseñada’.
La práctica de reforzar los estratos que rodean una excavación
subterránea insertando barras rígidas es muy antigua. Los ejemplos
más antiguos datan de las primitivas tribus Baiga de la India que
fortalecían los suelos débiles introduciendo ‘clavos’ de madera
dentro de estos. Con ello hacían gala de la creencia fundamental de
que con un poco de ayuda, el suelo en sí mismo es el mejor medio
de apoyo.
Las aperturas soportadas con elementos ajenos a la roca
(conocidos comúnmente como sistemas ‘pasivos’), como arcos
metálicos o estructuras de madera, necesitan una excavación
de mayor tamaño para alojar los elementos de apoyo y permitir
un buen acceso al mismo tiempo. Los elementos de soporte
propiamente dichos son difíciles de manejar y costosos de adquirir
e instalar. Los ejemplos de minería más antiguos conocidos son las
extracciones de pizarra en Angers, Francia. Aquí se usaban marcos
de madera de castaño hace ya varios siglos, en minería de cámaras y
pilares para reforzar los pozos y las cámaras. Sin embargo, hubo de
transcurrir bastante tiempo hasta que los pernos fueron aceptados
como método de refuerzo de los estratos.
Al principio del siglo XX, se encuentran muchas referencias
aisladas del uso de sistemas de bulonado, pero hay que esperar
hasta 1947 para que el método se desarrolle a escala industrial.
En Estados Unidos, la inquietud por el aumento de la tasa de
accidentes debido a los hundimientos del suelo produjo una nueva
apreciación de los apoyos subterráneos. La US Bureau of Mines
(Oficina de Minas de los EE.UU.) introdujo el bulonado del techo en
Por qué utilizar anclaje
de relleno total
10. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
10
estos momentos para ayudar a combatir las estadísticas adversas.
En 1952 el uso anual de pernos había alcanzado los 25 millones.
En aquella época los pernos o unidades de refuerzo no eran más
que meros pernos de carga puntual. Como consecuencia de la
introducción en las minas de EE.UU. y su éxito, no sólo a la hora de
combatir las caídas del techo, sino al hacer las operaciones mineras
más eficientes, la práctica del bulonado como soporte primario se
extendió por las minas de todo el mundo.
En 1952 el uso de pernos de carga puntual se había extendido
a las minas del Reino Unido. Desafortunadamente, por diversas
razones, principalmente la ineficacia del amarre de los pernos
en estratos débiles y las diferencias respeto a métodos mineros
utilizados en EE.UU, impidió que la adopción del bulonado del techo
como soporte primario, fuera un éxito completo en aquel momento.
Tampoco pasó desapercibido en otros países, incluido EE.UU.,
que la aplicación de los pernos de carga puntual a la deformación
en estratos débiles suponía una limitación inherente para su
aplicación. Se observó que la cabeza del anclaje en estratos débiles
se desplazaba. Esto hacía que el perno se aflojara, lo que le hacía
perder eficacia en última instancia. Esto provocó que se empezara
a investigar sobre la forma de introducir un material después de la
instalación del perno en el barreno, para evitar el desplazamiento
del anclaje. Las resinas epoxícas sintéticas se introdujeron en EE.UU.
en 1956. Estas se introducían en el barreno por inyección. En Francia
también se probó la inyección de lechada de cemento, pero el
tiempo de reacción era demasiado largo para que se extendiera a
gran escala. En aquella época ya se consideraba que era posible
instalar el perno en el barreno con un material que permitiría que el
perno contribuyera a reforzar la roca colindante de la cavidad unos
cuantos minutos después de su instalación.
Se empezó a trabajar en un sistema que permitiera instalar el
perno y el material de anclaje, en un solo paso, la resina se mezclaría
en el barreno por medio de la rotación del perno. En 1959 el SEBV
de la República Federal de Alemania introdujo el primer sistema de
cartucho de resina. La resina se encontraba en un cartucho de vidrio
que se rompía cuando se instalaba el perno. La primera cápsula
de resina recibió el nombre de Klebanker. Aunque la Klebanker
demostró que la resina podía ser una forma sencilla y eficaz
11. Por qué utilizar anclaje de relleno total
11
de anclar los pernos, se vio limitada por sus elevados costes de
producción. En las minas de hierro francesas se realizaron mejoras
en los pernos anclados con resina, desarrollando la idea de usar
una película de plástico para contener la resina de poliéster. Los
Ingenieros químicos de Charbonnages de Francia contribuyeron
desarrollando una resina especial para este propósito. Como
resultado de la experiencia francesa del bulonado consolidado de
techo, el sistema se introdujo en Alemania en 1980.
La introducción de bulones de acero a finales de la década de
1960 ha influido en los métodos y el equipamiento minero con un
incremento de la mecanización, haciendo el desarrollo subterráneo
trazable a este respecto.
Al principio, los pernos con bulones expansivos mecánicos
empezaron a emplearse en minas subterráneas. Sin embargo,
su rendimiento era escaso en rocas débiles y al principio de la
década de 1970 se empezaron a utilizar en Europa pernos no
tensados completamente inyectados, denominados armaduras. Se
desarrollaron mecanismos para explicar la acción de los bulones
para controlar el techo de una excavación. Entre las teorías más
importantes se encontraban la teoría de bloque clave, la teoría de
suspensión, la teoría de formación de viga y la teoría de formación
de arco. Partiendo de estos conceptos y la experiencia en este
campo, se ha desarrollado una gran variedad de métodos de diseño
para determinar la densidad y la longitud del perno para reforzar
una excavación.
En los primeros diseños con pernos de carga puntual, la tensión
en el perno se necesitaba para producir una fuerza normal entre
las capas del estrato, de forma que se incrementara la resistencia
de fricción. Sin embargo, el desarrollo de pernos consolidados
totalmente ofrece un nuevo enfoque. La formación de vigas se
puede realizar con o sin tensión, las fuerzas de deslizamiento
horizontal se soportan en la rigidez lateral de la combinación
inyección/perno.
El desarrollo de tecnologías de anclaje de roca por todo el
mundo ha seguido una tendencia continua a utilizar pernos como
apoyo primario, permitiendo reducir el tamaño de las aperturas
y liberarse de las restricciones impuestas por los soporte. Se ha
demostrado que el método es seguro, eficaz y mucho más rentable
12. LA GUÍA MINOVA - PERNOS
bulones
inyectados CON
en
resina
12
que los métodos de soporte tradicionales. El éxito de los pernos con
anclaje total como medio de soporte en especial en yacimientos
estratificados, ha aumentado su uso en todo el mundo. En muchos
casos, la utilización de pernos de techo con resina de anclaje se ha
convertido en la única opción viable para la extracción de carbón. Su
desarrollo ha encontrado también uso en el apoyo secundario a la
hora de proporcionar refuerzo preventivo planificado. En zonas con
terrenos ya alterados, el refuerzo del terreno anterior a un trabajo
ha permitido continuar la producción sin pérdidas o con un perjuicio
mínimo para la misma. Los pernos inyectados con resina también
se utilizan en la recuperación de derrabes, añadiendo refuerzos al
terreno alrededor de un derrabe.
El bulonado anclado con resina ha sido aceptado en todo el
mundo como un método de apoyo primario. En EE.UU. se utilizan
en estos momentos aproximadamente 100 millones de unidades
de pernos al año. En Sudáfrica se utilizan unos cinco millones de
unidades, de las que el noventa por ciento son pernos consolidados
con resina y de los cuatro millones de unidades de Australia casi la
totalidad son pernos anclados con resina. Hoy en día, el bulonado
anclados con resina ha sido desarrollado como apoyo secundario
para reforzar estratos débiles y cobra cada vez más importancia en
la recuperación de derrabes.
13. CAPÍTULO 2
Los pernos trabajan reforzando la roca, lo que significa que
aumentan la resistencia de la masa rocosa en la que están instalados
haciendo que la propia roca se convierta en parte del sistema de
soporte.
Para comprender cómo se consigue esta acción de refuerzo,
primero tenemos que observar cómo se desprende la roca. Las
rocas que rodean las cavidades y túneles de las minas siempre
caen por deslizamiento, ya sea por las fracturas y otros planos que
presentan debilidad o por el material rocoso propiamente dicho.
Por lo general, la rotura discurre por el campo de tensión de la roca
que se concentra alrededor de la cavidad (véase el capítulo 3). Para
las cavidades rectangulares, el componente de tensión horizontal se
Cómo funcionan
los pernos
Figura 1 a: Concentración de la tensión alrededor de cavidades
rectangulares y circulares
14. LA GUÍA MINOVA - bulones inyectados en resina
14
concentra en el techo y el suelo y el componente vertical a los lados.
Para las cavidades circulares, la concentración de la tensión
resultante se puede visualizar como tensión circular rodeando la
apertura (figura 1a).
Si esta carga es mayor que la resistencia del material rocoso,
se produce una rotura por cizallamiento con desplazamiento y
dilatación lateral de la roca que se desprende (figura 1b). Si falla un
túnel bulonado o un trazado de mina de esta forma, el resultado
se puede ver en términos de ‘acortamiento’ del techo donde la
distancia entre los extremos de los bulones instalados a lo largo
del trazado se reduce y el techo baja a causa de la dilatación de las
rocas caídas.
El cizallamiento también puede tener como consecuencia
desplazamientos preferentemente por los planos de fractura
orientados y otras discontinuidades. Esto puede ser tensión dirigida
o, estando bajo una tensión muy baja cerca de una superficie
Figura 1b: Concepto de tensión dirigida de la rotura por cizallamiento para cavidades de
sección rectangulares y circulares
15. Cómo funcionan los PERNOS
15
Figura2:Patronesderoturaderocaparacondicionesdetensiónaltaybaja(adaptadodeHoeketal.1995)
16. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados en resina
16
de rocas más duras, la gravedad por sí sola puede ocasionar el
deslizamiento de bloques en las fracturas o en la excavación o
puede que sencillamente caigan trozos (lo que en el sentido estricto
de la palabra es una rotura de tensión). La figura 2 ilustra una
serie de patrones de rotura de rocas para cavidades rectangulares
en campos de baja y alta tensión, en roca maciza, fracturada y
estratificada.
Si se han instalado bulones, éstos pueden modificar el
comportamiento del terreno y prevenir o limitar la rotura de la roca.
Esto se consigue transfiriendo la carga de la parte inestable de la
masa rocosa al bulón propiamente dicho y a continuación a la roca
estable. La fuerza de unión entre el anclaje y la roca es una medida
de la eficacia de este mecanismo de transferencia de carga.
Para todos los tipos de pernos de anclaje mecánico, fricción
o inyectados, la unión es el resultado de combinar la fricción y el
engranaje en los puntos de contacto bulón/roca o roca/inyección
e inyección/roca. La adhesión no juega un papel significativo en la
unión y es erróneo pensar que los pernos unidos con resina están
‘pegados’ a la roca. El cizallamiento en la capa de resina producida
por la roca o el desplazamiento del perno genera grandes tensiones
radiales que actúan por los puntos de contacto y maximizan la
resistencia de fricción. Tanto el diseño del perfil del perno y las
marcas de la pared del barreno como las propiedades de la resina
son factores importantes en la generación de esta resistencia de
fricción.
En el caso de sistemas de carga puntual, la fuerza de unión se
puede medir tirando del anclaje. Para sistemas de consolidación
completa, se utiliza la prueba de tracción de la encapsulación corta
(capítulo 3).
Transferencia de cargas
Se puede considerar que la transferencia de cargas entre el perno y
la roca se produce de tres formas:
1 Suspensión o anclaje de bloque;
2 Resistencia a los esfuerzos de cizallamiento;
3 Resistencia a los esfuerzos axiales.
17. Cómo funcionan los PERNOS
17
1 Suspensión o anclaje de bloque
La suspensión de una capa débil fijándola con bulones a una
capa superior más fuerte es el concepto inicial para el que
se desarrollaron los bulones de anclaje mecánico. En este
caso, la carga suspendida impuesta sobre la placa final se
transfiere a la roca estable de arriba por medio del perno. Esta
sencilla situación de apoyo es, sin embargo, poco común en
las aplicaciones de bulonado actuales. Un principio similar se
aplica donde se apoyan bloques o cuñas sueltos de una masa
rocosa muy agrietada fijándolos entre sí y añadiendo bloques
estabilizadores.
2 Resistencia a los esfuerzos de cizallamiento
Los bulones instalados a través de un posible plano de
cizallamiento resistirán directamente la deformación del
cizallamiento. Los bulones parcialmente encapsulados permiten
cierto desplazamiento antes de que empiece a formarse la
resistencia. Los que están completamente rellenos son los más
eficaces para este uso porque proporcionan una resistencia
inmediata. La compresión de la roca y la resina debidos a
tensiones localizadas y transferencia de cargas se transmiten
doblando el perno lo que también genera una carga axial.
Cuanto mayor y más firme sea la unión, mayor será la resistencia
al desplazamiento por cizallamiento (figura 3). La anulación
directa del cizallamiento es eficaz para prevenir movimientos de
deslizamiento en las grietas, etc. pero menos útil a la hora de
limitar las roturas por cizallamiento a través del material rocoso.
En este último caso, la influencia del perno se limita a sus
proximidades inmediatas.
3 Resistencia a los esfuerzos axiales
Los bulones instalados a través de un posible plano de
cizallamiento también proporcionan una resistencia axial al
resistir la dilatación lateral asociada a los movimientos de
cizallamiento (figura 4). De nuevo, los mejores son los tipos
totalmente rellenos con resina. La transferencia de carga resulta
de una carga de tensión axial desarrollada en el perno centrado
en la posición del plano de cizallamiento. Esto actúa a modo
18. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados en resina
18
de carga de fijación, aumentando la fuerza normal (y como
consecuencia la fuerza de deslizamiento) a lo largo del plano de
cizallamiento, limitando la rotura por corte.
Cuanto mayor y más firme sea la unión, más eficaz será la acción.
Para tipos de consolidación parcial, toda la longitud libre del perno
se puede estirar en respuesta a la dilatación lateral de modo que la
carga de fijación es mucho menor. Sin embargo, muchos tipos de
consolidación parcial están pretensados en la instalación, lo que da
lugar a una situación más compleja que se expondrá más adelante.
Retención de la tensión en el techo
Si los bulones se instalan con éxito para reforzar una cavidad
subterránea o un túnel, el resultado final es la retención de un
19. Cómo funcionan los PERNOS
19
nivel significativo de tensión horizontal en el techo de las cavidades
rectangulares (o de la tensión circular si se trata de un túnel circular).
Incluso en zonas poco profundas, el nivel de tensión horizontal
inicial que actúa a través de un techo de una apertura rectangular
es posible que supere 2 MPa, lo que significa que se transmite una
fuerza horizontal de unas 200 toneladas por cada metro cuadrado.
Por el contrario, el peso de una roca contenida en una altura de
bulonado típica de 2 m de alto por 5 m de profundidad es de
unas 25 toneladas por metro lineal (figura 5a). Se puede ver con
facilidad que incluso si el techo posee roturas verticales que podrían
ocasionar el desprendimiento de bloques del techo, esto no podría
suceder mientras la tensión horizontal está presente y evita que los
bloques se deslicen como consecuencia de la gravedad. Si aún así, el
techo cae por esta carga de tensión horizontal, la carga transmitida
se reduce y la tensión horizontal se redistribuye a un lugar superior
del techo.
Figura 5a: Concepto de estabilidad del techo mediante retención de la
tensión
20. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados en resina
20
Al final, la carga transmitida disminuye lo bastante para permitir
que caiga el techo (figura 5b).
Suministrar soporte a rocas débiles sometidas a gran tensión
como las que se suelen encontrar en las minas de carbón a gran
profundidad, es posiblemente la aplicación que supone el mayor
reto para los sistemas de pernos. En este caso, los niveles de tensión
inicial son elevados, y para maximizar el efecto del refuerzo es
fundamental contar con un sistema completamente rígido y con
fuerza de gran unión. Es inevitable que bajo las cargas de tensión
horizontal se produzcan roturas por cizallamiento y la estabilidad del
techo depende de la retención del nivel de seguridad residual de la
carga de tensión horizontal (figura 6).
La resistencia axial proporcionada por los pernos es la clave
para la estabilidad del techo en esta situación. El efecto es menos
localizado que el de la resistencia directa al cizallamiento y produce
un efecto de refuerzo global donde se genera la rotura a través del
material rocoso. En esta situación, una fuerza de anulación adicional
Figura 5b: de estabilidad del techo mediante retención
de la tensión
21. Cómo funcionan los PERNOS
21
relativamente pequeña (p.ej. instalando pernos adicionales o usando
un sistema de bulonado de mayor rendimiento) puede incrementar
de forma significativa la fuerza residual de un techo bulonado, lo
que determina la tensión transmitida por el mismo.
La figura 7 ilustra la tensión transmitida por un techo bulonado
cuando el desplazamiento del cizallamiento aumenta. El nivel de
tensión residual después de la rotura por cizallamiento para el
sistema de bulonado de alta resistencia (B) es considerablemente
mayor que la del sistema de resistencia inferior (A).
La acción de refuerzo de los bulones actúa, previniendo o
anulando la rotura por cizallamiento en las rocas que rodean la
cavidad, mediante la anulación del deslizamiento axial y directa,
de modo que el nivel de tensión transmitido por la zona bulonada
permanece lo bastante alto para mantener la cavidad estable.
Dependiendo de la forma de la cavidad y el estado de la roca, esta
acción se describe con los términos de ‘construcción de viga’ o
‘construcción de arco’ pero el rasgo esencial en cualquier caso es la
retención de la tensión transmitida por la zona bulonada.
Figura 6: Soporte de un techo débil bajo condiciones de alta tensión
22. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
22
Tensionado del perno
El tensionado del perno es fundamental con sistemas de bulones
de anclaje parcial o puntual. Se aplicaba originalmente a pernos
de carga puntual para bloquear la cabeza del perno en la posición,
pero en tipos de anclaje con resina es necesario tensar la placa de
apoyo al techo para hacer que el perno sea eficaz como soporte. Las
cargas de tensión entre 15 y 20 ton. se utilizan ahora con sistemas
de mayor capacidad como los pernos tipo cable (Rataj 2002). Con
esta práctica, conocida comúnmente como pretensionado, se
pretende incrementar la efectividad de los pernos
Desde la llegada de los sistemas completamente consolidados,
algunas publicaciones distinguen entre ‘bulones’ que están
parcialmente consolidados y tensados que proporcionan apoyo
‘activo’, y ‘armaduras’ que son pernos completamente consolidados
sin tensar, que proporcionan un soporte ‘pasivo’. Se asume que los
últimos son menos eficaces como soporte, cuando a menudo se da
el caso contrario.
En la práctica muchos sistemas completamente rellenos de resina
de anclaje están tensados. El uso de dos resinas con tiempos de
Figura 7: Efecto de la anulación de tensión axial del sistema de bulonado sobre el
nivel de tensión del techo
23. Cómo funcionan los PERNOS
23
geles diferentes (resinas ‘rápidas’ y ‘lentas’) para anclar los pernos
ha sido una práctica habitual durante algunos años con el objetivo
principal de facilitar la instalación de estos. Apretar la tuerca después
de que actúe la resina rápida pero antes de que lo haga la resina
lenta hace que la tensión se distribuya por todo el perno. Las cargas
generadas durante la instalación normal (hasta unas 3 toneladas)
son relativamente pequeñas.
Los pernos de tuerca forjada no se pueden tensionar de forma
convencional y lo normal ha sido usar el brazo del jumbo para
mantenerlos en posición hasta que la resina se endurece. Sin
embargo, en los últimos años ha surgido la técnica del ‘anclaje por
empuje’ en los que el brazo de perforación se utiliza para empujar el
perno y comprimir la placa fuertemente contra el techo mientras la
resina reacciona. Se pretende provocar un aumento de la tensión en
el perno siguiendo la expansión de la roca y la placa una vez que se
retira la fuerza de empuje.
La presión sobre un punto en los pernos parcialmente
consolidados produce una zona de compresión en la roca por
encima de la placa de apoyo. Esto da lugar a una reducción de las
zonas discontinuas, lo que incrementa la resistencia al cizallamiento
en los planos discontinuos, incrementándose así la eficacia del perno
(Lang 1961). Sin embargo, como el perno es por lo general quince
veces más firme que la roca, con sólo una pequeña deformación
de la roca encima de la placa (por aplastamiento, contracción
o deslizamiento local) o deslizamiento del anclaje se pierde la
tensión inicial. El aflojamiento o la pérdida de tensión con pernos
parcialmente consolidados es una consecuencia algo habitual en
las minas (Mark 2000; Van de Merwe y Madden 2002). La zona de
tensión de compresión inducida también está limitada en extensión
- la mayoría de los modelos por ordenador sugiere que se encuentra
dentro hasta aprox. 0,5 m de la placa (Unrug et al. 2004; Yassien et
al. 2002). El efecto del tensado es proporcionar una anulación axial
adicional en esta zona a costa de reducir la capacidad del perno (por
la carga de tensión) disponible para resistir la dilatación del techo.
Probablemente una de las mayores ventajas de las grandes
cargas de pretensión proviene del cierre de cualquier grieta y
fractura abierta, con lo que se incrementa la fuerza del cizallamiento
discontinuo.
24. LA GUÍA MINOVA - bulones inyectados en resina
24
Con los bulones completamente rellenados, la resina lenta se acopla
después del tensado, lo que puede dar lugar a que la tensión se
‘concentre’ y no se disipe tan fácilmente como en los sistemas de
anclaje parcial (Unrug y Thompson 2002). Los sistemas de bulones
rellenados totalmente tienen también una rigidez efectiva mucho
mayor que los sistemas de bulones de carga puntual, para lo que
se utilizaba originalmente el tensionado. La dilatación de la roca
envolvente se transmite al bulón por medio de la corona anular
inyectada y la tensión del perno que resiste este movimiento se
desarrolla con rapidez concentrada en la posición donde se produce
el movimiento. Por consiguiente, a menudo se afirma que pretensar
a altas cargas no presenta ninguna ventaja en los pernos rellenados
totalmente. En la práctica, la ventaja fundamental de tensar en este
caso puede ser de nuevo que garantiza que la placa del perno está
colocada contra el techo y cierra cualquier discontinuidad.
Eficacia de los diferentes sistemas de anclaje
El hecho de que los sistemas de bulones completamente rellenados
con resina supongan ahora el ochenta por ciento del uso en minería
en EE.UU. (Unrug et al. 2004) y su aplicación se esté incrementando
en todo el mundo, sugiere que los ingenieros por lo general
prefieren para su trabajo este tipo de sistemas especialmente como
soporte en minas profundas y con rocas débiles. Además, varios
estudios sugieren que el rendimiento de los pernos completamente
consolidados sin tensar o ligeramente tensados se compara
favorablemente con los pernos tensados parcialmente consolidados.
Yassien et al. (2002) llegaron a la conclusión por medio de modelos
por ordenador, que mientras los pernos tensados sólo eran eficaces
a la hora de ofrecer soporte al primer metro de techo, los pernos
completamente consolidados eran eficaces en todo lo largo. Snyder
(1983) resumió una década de investigación en el uso de pernos de
techo en minas de cámaras y pilares de EE.UU. utilizando estudios
analíticos, experimentales y a escala completa y llegó a la conclusión
de que los pernos consolidados totalmente eran por lo general
mejores que los pernos de carga puntual.
25. Cómo funcionan los
25
Límites a la eficacia de los bulones
Los bulones sólo son eficaces en una escala de deformación
relativamente pequeña, para los pernos consolidados totalmente
puede ser menos de 50 mm del movimiento de la roca y por lo
general es menos de 100 mm. Además, es posible que el perno se
rompa o pierda su eficacia porque se reduce la fuerza de unión.
Extremos de pernos rotos, placas rotas o deformadas o movimientos
significativos de terrenos no sujetos por los pernos, son todos ellos
síntomas de un sistema de pernos poco eficaz. El uso de tendones
largos como cables de anclaje, junto a los bulones, para reforzar el
techo superior y suspender la zona pernada de un techo superior
estable es una práctica común donde los bulones por sí solos son
insuficientes.
Los sistemas de pernos deslizantes que se pueden acomodar a
grandes movimientos se utilizan en algunas aplicaciones, como en
minas profundas de roca dura donde se espera que se produzcan
grandes deformaciones en las rocas o estallidos de rocas. Los
pernos deslizantes suelen ser de carga puntual con mecanismos de
deformación controlados como una tuerca deslizante en la placa
final.
Aplicaciones típicas del bulonado
La idoneidad de los diferentes sistemas de anclaje para la gama
de posibles aplicaciones de apoyo se puede considerar ahora
basándonos en la información presentada con anterioridad.
Los principales factores que indican el patrón de rotura de la
roca son el nivel de tensión in situ, la fuerza del material rocoso,
la frecuencia y la orientación de las discontinuidades, tales como
fracturas y planos de estratificación. La figura 2, presentada con
anterioridad, ha ilustrado una serie de posibles patrones de roturas
para condiciones de tensión alta y baja. La práctica de bulonado
apropiada para estas condiciones se puede resumir como sigue.
1 Roca maciza con nivel de baja tensión
Práctica: sin apoyo o con apoyo ‘de superficie’ para evitar que
se desprendan piezas sueltas aisladas
26. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
26
Sistema de perno adecuado: cualquier perno corto de baja
capacidad - quizás con malla ligera
Ejemplos: minas de metal/piedra caliza/ sal de poca
profundidad
2 Rocas macizas con nivel de alta tensión
Práctica: bulonado sistemático con malla para limitar la rotura
por corte y retener los trozos rotos
Sistema de perno adecuado: Pernos de alta carga
consolidados totalmente
Ejemplos: minas de sal potásica profundas; túneles profundos
en roca maciza
3 Niveles de baja tensión con algunas
discontinuidades
Práctica: bulonado puntual, con pernos para asegurar bloques
y cuñas
Sistema de perno adecuado: pernos de carga puntual
tensados o pernos de consolidación total tensados
Ejemplos: minas de metal/yeso a poca profundidad; túneles
de poca profundidad en roca dura fracturada (p.ej. arenisca,
granito, gneis)
4 Nivel de alta tensión con algunas
discontinuidades
Práctica: patrón sistemático de bulones de alta carga, inclinados
si es necesario para entrelazar discontinuidades con malla o
gunitados para retener trozos rotos
Sistema de perno adecuado: pernos de carga puntual
tensados o pernos consolidados totalmente
Ejemplos: túneles profundos en rocas ígneas/metamórficas
5 Nivel de baja tensión con muchas
discontinuidades
Práctica: cuadricula ligera sistemática de pernos con malla o
gunitados para mantener los trozos de roca en su posición y
evitar desprendimientos
27. Cómo funcionan los PERNOS
27
Sistema de perno adecuado: pernos de carga
puntual tensados o pernos consolidados totalmente y tensados
Ejemplos: túneles de poca profundidad en rocas foliadas y
fracturadas o rotas
6 Nivel de alta tensión con muchas
discontinuidades
Práctica: cuadricula sistemática de bulones de alta carga con
malla o gunitados; es posible que sea necesario un soporte
lateral o de apoyo
Sistema de perno adecuado: pernos consolidados totalmente
de alta carga, quizá con refuerzo de cables
Ejemplos: túneles profundos en rocas/zonas de deslizamiento
de rocas foliadas y fracturadas o rotas asociadas a un plano de
falla
7 Roca estratificada con nivel de baja tensión
Práctica: cuadricula de bulones sistemática y ligera para
fortalecer el techo y evitar roturas por corte
Sistema de perno adecuado: bulones de carga puntual
tensados o completamente consolidados
Ejemplos: entradas de minas de carbón de poca
profundidad
8 Roca estratificada con nivel de alta tensión
Práctica: cuadricula de bulones sistemática densa para restringir
roturas por cizallamiento
Sistema de perno adecuado: bulones completamente
consolidados de alta carga para techos y hastiales con malla y,
posiblemente, cables
Ejemplos: entradas de minas de carbón profundas
28. CAPÍTULO 3
El problema del diseño
Los bulones utilizan la resistencia de la roca a su alrededor para
servir de apoyo a la cavidad realizada en la misma. Por lo tanto,
el comportamiento de ingeniería de la roca es fundamental en el
proceso de diseño del bulón de apoyo.
Los problemas que se presentan en el diseño del soporte
de estructuras en roca no se diferencian en principio de las
demás ramas de la ingeniería – la roca es el material de trabajo
y las cargas que hay que soportar están representadas por el
campo de esfuerzos de la roca. Desafortunadamente, la roca
es un material extremadamente cambiante: puede ser fuerte o
débil, maciza o estratificada, la litología varía tanto dentro como
entre los componentes de la roca, y es habitual la presencia de
características estructurales mayores y menores (fallas, zonas de
cizalla, estratificación, fracturas, etc.). Además, es poco probable
que se conozcan las dimensiones de las tensiones de la roca de
forma detallada, ya que dependen de la tectónica local así como de
la profundidad de la cubierta y pueden estar concentradas alrededor
de las características estructurales de la roca.
Debido a estas complicaciones, se han desarrollado muchos
métodos de soporte que a enudo son específicos para determinadas
rocas y condiciones de tensión. El soporte con bulones se utiliza en
una amplia gama de tipos de roca. En un extremo donde la roca
es fuerte y las tensiones bajas (p.ej., condiciones de piedra dura en
minas poco profundas, túneles y excavaciones de superficie), la
rotura de la roca puede deberse simplemente a la gravedad y se
presenta a modo de bloques sueltos o movimientos en las fracturas.
Los métodos de diseño para estas condiciones se concentran en
la geometría, las características de la fractura y la capacidad para
Los pernos como
apoyo al diseño
29. Los PERNOS
bulones
como apoyo al diseño
29
prevenir los movimientos del bloque de refuerzo instalado.
En minas profundas con rocas relativamente débiles (p.ej. minas
de carbón o mineralizaciones profundas), la rotura suele estar
determinada por la tensión, en las roturas por cizallamiento se
propaga por la masa rocosa y a lo largo preferentemente de los
planos orientados de las zonas débiles, como estratificaciones y
planos de fractura. Los métodos de diseño para estas condiciones
se concentran en el comportamiento de la masa rocosa bajo las
tensiones que actúan y la capacidad del refuerzo instalado a resistir
el cizallamiento activo y la dilatación de la roca.
Las condiciones en la mayoría de las excavaciones subterráneas
se encontrarán entre estos extremos y los métodos de diseño
deberían tener en cuenta los posibles modos de rotura.
Regulaciones y normas
Los patrones de soporte de los bulones no están todos, ni
mucho menos, diseñados de modo formal – de hecho la mayoría
no lo están. Los patrones de bulonado en muchas minas han
evolucionado por ensayo o error, probablemente a partir de
un diseño o experimento inicial. El modelo puede modificarse
con posterioridad en respuesta a las condiciones encontradas,
basándose en el juicio de los ingenieros de la mina. Las regulaciones
de las minas de carbón a veces incluyen longitudes de pernos
mínimas y áreas máximas que determinan de forma efectiva la
cuadricula utilizada. En EE.UU., por ejemplo, el espacio entre pernos
máximo es 5 pies (1,5 m) y en la mayoría de las minas se instalan
cuatro pernos por fila para obtener un espacio de 1,2 m entre los
pernos. Además de las regulaciones, normas o códigos de práctica
se pueden imponer límites tanto al diseño como al método a utilizar
para el mismo. El primer requerimiento de cualquier diseño es
cumplir las regulaciones y normas relevantes.
Parámetros de diseño
Es probable que todos los métodos de diseño tengan en cuenta una
serie de parámetros relacionados con el material rocoso y el campo
30. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
30
de esfuerzos en el que se realiza la excavación. Es probable que
incluyan lo siguiente.
1 Parámetros del material rocoso
Tipo de roca
Esto se determina por medio de la investigación geológica que
incluye el examen del testigo del barreno. Las excavaciones en roca
maciza homogénea representan el problema de diseño más simple.
Es más habitual que la roca cambie a lo largo de la excavación y
contenga numerosas fracturas y otras estructuras que habrá que
tener en cuenta para el diseño.
Las rocas sedimentarias están compuestas por capas de roca
que suelen ser continuas sobre grandes áreas de ello que se utilice
el término ‘estrato’ en minería. En el diseño del soporte para
los yacimientos estratificados se tiene que tener en cuenta las
propiedades y el espesor de cada capa y la naturaleza y la posición
de los planos mayores de estratificación.
Resistencia mecánica de la roca
La resistencia de una roca se define como la capacidad del
material a resistir la tensión sin que se produzcan roturas de
gran tamaño y se mide para efectuar un ensayo en la roca. Los
ensayos de resistencia de la roca deberían realizarse utilizando un
procedimiento estándar para permitir que se puedan comparar
con otros datos. La resistencia uniaxial a la compresión (UCS) de un
ensayo de compresión en una muestra del testigo, es el parámetro
de resistencia que con mayor frecuencia se mide.
La respuesta del material rocoso confinado a la carga se
considera por lo general importante en el diseño del refuerzo y
se mide con el ensayo de compresión triaxial en el que se puede
determinar la relación entre la tensión máxima de la muestra (σ1)
y la presión de confinamiento o la tensión principal menor (σ3),
haciendo posible calcular el ángulo de fricción y la resistencia
de cizallamiento. En rocas que muestran un desplazamiento
significativo bajo carga de tensión estática, la resistencia es difícil de
definir y puede tener una importancia menor en la práctica.
31. Los PERNOS como apoyo al diseño
31
La figura 8 ilustra resultados típicos del ensayos triaxiales mostrando
la respuesta de la roca al incremento de la presión.
La acción de refuerzo de los bulones se incrementa σ3,
lo que a su vez incrementa el valor de la masa rocosa
y la resistencia residual. Hay que tener en cuenta que todos
los ensayos de resistencia de la roca cuentan con un problema
de escala. Las muestras pequeñas e intactas para el ensayo no
son del todo representativas de la masa rocosa in situ. Y, como
consecuencia, cuanto mayor sea la muestra de la prueba, menor
será el resultado del ensayo obtenido. Esto se deberá tener en
cuenta cuando se usen datos del ensayo de la roca para el diseño.
Características estructurales
Las características estructurales como las fallas, las fracturas,
los planos de estratificación y la exfoliación son importantes,
especialmente en entornos de roca dura/de baja tensión. Por
ese motivo, es fundamental analizar la estructura geológica
Figura 8: Resultados del examen triaxial en rocas carboníferas
32. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
32
para determinar la orientación, la persistencia, el espacio y la
discontinuidad de las propiedades de la superficie de la cavidad
para llevar a cabo el diseño en esta situación. La resistencia al
cizallamiento de las superficies del plano de fractura o estratificación
pueden medirse con ensayos especializados de laboratorio.
2 Parámetros del campo de esfuerzos de la
roca
Valores de tensión
El campo de esfuerzos de la roca antes de la excavación se puede
visualizar en términos de tres componentes ortogonales: las
tensiones principales. Por lo general (aunque no siempre), una será
vertical y las dos restantes horizontales. La tensión vertical es por lo
general el peso de la roca suprayacente por área de unidad y por
ello está directamente relacionada con la profundidad. Las tensiones
horizontales también se incrementarán con la profundidad pero
de una forma menos previsible; a bajas profundidades, pueden
estar influenciadas por la topografía que las rodea pero, como
consecuencia de las fuerzas tectónicas, cuando la profundidad
se incrementa es probable que una de las tensiones horizontales
principales sea significativamente mayor que la otra y también
mayor que la tensión vertical en muchas partes del mundo, entre
las que se incluyen Europa Occidental, Australia, EE.UU. y Sudáfrica.
Esto tiene importantes consecuencias para el diseño, así que en
condiciones ideales las mediciones del campo de esfuerzos deberían
realizarse in situ.
Cuando se realiza una excavación el campo de esfuerzos inicial
se concentra alrededor de la cavidad. La dimensión relativa de
esta tensión concentrada, comparada con la resistencia de la masa
rocosa, determinará si la roca que rodea la excavación se romperá
sin soporte adicional. En lugares poco profundos, las cavidades
en rocas relativamente duras pueden auto sostenerse o solo
necesitan bulones para asegurar los bloques sueltos. A medida que
aumenta la profundidad, puede ser necesario un nivel de refuerzo
progresivamente mayor para resistir el cizallamiento activo de la roca
y la dilatación y mantener el perfil de la excavación.
33. Los PERNOS como apoyo al diseño
33
Geometría de la excavación
El tamaño y la forma de la excavación son los que aportan la
contribución principal al patrón del campo de esfuerzos que rodea
la excavación terminada. Cuanto mayor sea la excavación, mayor
soporte se necesitará y puede aparecer una dimensión crítica
posterior, más allá de la cual el soporte será extremadamente
difícil. Si la excavación es grande y se crea en etapas, es posible que
se necesiten cuadriculas de bulonaje distintas en cada nivel para
mantener la estabilidad de la cavidad.
Interacción de las aperturas adyacentes
Nearby openings, either existing or formed later, will influence
the stress field surrounding an excavation, and resulting stress
concentration effects can have a major effect in some
circumstances. Vertical stress concentrations beneath mine
pillars, for example, can affect workings a considerable
distance above or below. The possible influence of other
workings during the planned life of the excavation should
therefore be considered.
Influencia del método de excavación
El bulonado se utiliza con éxito como soporte conjuntamente con
variados tipos de máquinas tuneladoras y donde las excavaciones
se realizan con explosivos. Las medidas que se llevaron a cabo en
dos túneles de roca dura y una mina de carbón confirmaron que
las voladuras no tienen un efecto significativo en la resistencia de la
unión de los bulones consolidados con resina instalados a un metro
de distancia, para valores de velocidad particular menor de 92 mm/s
en las minas de carbón y de 650 mm/s en los túneles de roca dura
(Clifford 1995). La realización del avance por medio de voladuras
puede, sin embargo, afectar a la superficie en las inmediaciones de
la cavidad, hasta el punto de que pueda ser necesario utilizar una
malla para contener la roca fragmentada suelta. Las malas prácticas
de voladura como la perforación desviada, el sobrecargado y el
recubrimiento, incrementan significativamente el daño local a la
roca y a los requerimientos del bulonado.
34. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
34
Aguas subterráneas y corrosión del perno
El conocimiento de la naturaleza de las aguas subterráneas puede
influir en la elección del tipo de bulonado como soporte primario
o deben tenerse en cuenta en la selección de los métodos y los
materiales para el anclaje. El agua reduce la resistencia efectiva
de las rocas porosas o sensibles al agua, lubrica las fracturas y
otros posibles planos de rotura y puede afectar directamente a la
instalación del perno al fluir desde los barrenos. Además, se puede
producir corrosión donde el agua entra en contacto con el acero de
los pernos sin proteger.
En los casos donde se encuentran caudales volumétricos altos
dentro de la roca, puede ser necesario efectuar un tratamiento
anterior por inyección a presión para evitar que el bulón inyectado
se salga antes de fijarse. La presencia de agua es un factor
significativo a la hora de decidir si los pernos de acero necesitan
protección anticorrosión. La posible corrosión derivada del agua
se puede calcular por medio de su valor pH. Afortunadamente, la
resina de poliéster utilizada para anclar los pernos no se ve afectada
por las aguas subterráneas y puede formar una barrera impermeable
que protege el perno de acero.
Factibilidad del refuerzo de la roca
El bulonado se puede utilizar a modo de soporte en una amplia
gama de condiciones. Los límites de eficacia no se pueden definir
con precisión, ya que las propiedades del material rocoso, las
condiciones de tensión y el tamaño de la cavidad son factores
que ejercen influencia. Por lo tanto siempre se tiende a sobre
dimensionar el perno.
El requerimiento más básico es que la roca tiene que ser
competente (es decir, debería tener una resistencia de compresión
libre medible). El bulonado se ha acometido con éxito en rocas con
una resistencia menor de 20 MPa que proporciona bajas tensiones.
Es probable que la resistencia mínima se incremente a tensiones
superiores y para excavaciones mayores, pero el bulonado se ha
realizado con éxito en minas de carbón y halita (UCS alrededor de
35. Los PERNOS como apoyo al diseño
35
50 MPa) a profundidades por encima de 1.000 m y en rocas más
fuertes en minas de oro a profundidades mucho mayores.
Otras condiciones que podrían impedir la efectividad del anclaje
incluye una combinación negativa de: roca muy fracturada o
quebrantada, especialmente con fracturas abiertas, suaves o con
espejos de fallas; grandes caudales de agua; grandes tensiones in
situ; hinchamiento o aplastamiento de rocas.
Métodos de diseño para apoyo de techo con
pernos
Principios de diseño
Debido a la complejidad de la naturaleza de la roca y de las
tensiones de la roca, el diseño de soporte con bulonado tampoco
es fácil de realizar. Por consiguiente, se ha desarrollado una serie de
métodos de soporte para el diseño que a menudo son específicos
para determinadas rocas y condiciones de tensión. Los principales
métodos utilizados en la actualidad son:
1 técnicas de diseño de precisión;
2 técnicas empíricas;
3 modelado por ordenador;
4 diseño observacional.
Para seleccionar un método de diseño se recomienda seguir las
siguientes directrices generales.
1 Las condiciones de la ubicación se deberían definir teniendo en
cuenta los parámetros de diseño principales, tal como se han
descrito con anterioridad. Deberían identificarse los posibles
modos de roturas. El método elegido debería ser uno que se
haya desarrollado para y utilizado en condiciones similares y se
dirija a los mismos mecanismos de rotura.
2 Puede ser adecuado elegir más de una técnica para considerar
en su totalidad la naturaleza de los mecanismos de la rotura, por
ejemplo, deslizamiento de los bloques laterales en fracturas y
roturas por cizallamiento en el techo. Donde se aplican métodos
relativamente simplistas, se deberían comparar los resultados de
36. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
36
varios métodos a modo de comprobación adicional.
3 Los resultados de estos métodos, se deberían usar solo a modo
de directrices y deberían comprobarse in situ controlando la
deformación de la roca y la eficacia del soporte.
4 La elección final también estará condicionada a parámetros
operativos como el tipo de equipamiento de instalación
disponible. De esto se deduce que el diseño del sistema de
anclaje se debería integrar en la planificación general de la mina
o el túnel.
1 Técnicas de diseño de precisión
Se trata principalmente de ecuaciones matemáticas basadas en los
principios mecánicos de roca, que permiten calcular la longitud y
el espacio necesario entre los pernos directamente a partir de los
parámetros de diseño. Estos métodos conllevan por lo general una
considerable simplificación del problema del diseño de modo que se
pueda derivar una solución matemática. Por tanto, deberían usarse
con gran precaución. Ejemplos de ello son la utilización del cálculo
del ‘peso muerto’ para determinar el número de pernos necesario
para suspender una viga de roca de una roca estable o suponer que
el techo bulonado actúa como una viga o arco elástico, permitiendo
el cálculo del soporte necesario para mantener la estabilidad.
Una técnica de análisis utilizada con mucha frecuencia, es
considerar el deslizamiento bajo gravedad de los bloques o cuñas
unidos por las fracturas. Esto se refiere en particular a rocas duras
fracturadas. Se encuentran disponibles programas de ordenador
(como UNWEDGE) para realizar el cálculo del diseño e indicar la
longitud y el espacio adecuado entre pernos (figura 9).
2 Técnicas empíricas
Las técnicas empíricas son ‘reglas generales’ derivadas de
experiencias anteriores. Algunas de las más simples no son más que
una lista de los soportes recomendados para valores diferentes de
uno o varios parámetros de diseño. El conjunto de reglas de diseño
empíricas más conocido es el desarrollado por Lang (1961) durante
la construcción del trazado hidroeléctrico en Snowy Mountains,
Australia.
37. Los PERNOS como apoyo al diseño
37
Farmer y Shelton (1980) perfeccionaron las reglas de Lang y la
experiencia de otros y formularon una serie de guías de diseño para
excavaciones en masas rocosas que tuvieran puntos de contacto
limpios y de escasa discontinuidad.
Las guías de diseño de este tipo son simplistas y deben usarse
con precaución. Sin embargo, el diseño empírico basado en los
esquemas de clasificación de las rocas ha experimentado un notable
desarrollo en los últimos años, y dos de los más conocidos -la
clasificación del macizo rocoso (RMR) (Bienawski 1989) y el sistema
‘Q’ de NGI (Barton et al. 1974), son de uso muy extendido para los
diseños de soporte en minas y túneles en rocas duras.
La RMR se basa en la resistencia de la roca intacta, la calidad
del testigo de perforación (RQD), el espacio y el estado de las
discontinuidades y las condiciones del agua subterránea. El
Figura 9: Análisis de la rotura de cuña usando UNWEDGE
38. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
38
sistema Q se desarrolló a partir del análisis de proyectos de túneles
escandinavos. El valor de Q se basa en la valoración numérica de la
calidad de la masa rocosa utilizando seis parámetros: RQD; cuatro
parámetros relacionados con el número de fracturas y su estado; y el
factor de reducción de la tensión teniendo en cuenta las condiciones
de tensión.
Grimstad y Barton (1993) proporcionan guías de soporte para
valores diferentes de Q, teniendo en cuenta las dimensiones y el uso
de la excavación (figura 10).
Ambos métodos se describen en detalle en la mayoría de los
libros de texto de la mecánica de rocas.
Estos métodos de clasificación de rocas se han especializado
en rocas duras y hacen énfasis en las características de la fractura.
Por ello, su uso no está muy extendido en la minería del carbón,
donde puede existir gran cantidad de planos débiles de varios tipos
y además la resistencia de la roca intacta puede ser mucho menor.
Sin embargo, NIOSH en EE.UU. ha desarrollado recientemente un
método de diseño para minas de carbón basado en la clasificación
de la roca y teniendo en cuenta los niveles de tensión (Mark 2000).
3 Modelado por ordenador
El modelado como técnica de soporte implica simular el material
rocoso, su comportamiento ante las cargas y el efecto de los
soportes. En el pasado se construían modelos de escayola a
escala para este fin, pero estos han sido reemplazados por
modelos numéricos por ordenador que ahora disfrutan de un
uso muy extendido. Gracias a la mejora constante de la potencia
y la velocidad de los ordenadores, junto con el desarrollo de los
paquetes de modelaje numérico por ordenador, se pueden llevar a
cabo simulaciones en 2 o, incluso, 3 dimensiones de los problemas
de soporte de rocas, aunque este trabajo sigue estando casi
exclusivamente en manos de especialistas.
Los paquetes de modelaje de rocas se han desarrollado
específicamente para las aplicaciones de la mecánica de rocas. Para
las rocas duras bien articuladas, el método de elemento discreto
permite simular ensamblajes de bloques. Como alternativa, el
método de elemento finito está bien establecido y se puede asumir
para dilucidar el comportamiento elástico. Para rocas más débiles,
39. Los PERNOS como apoyo al diseño
39
Figura10:Guíasdeapoyoparaelsistema‘Q’(segúnGrimstadyBarton1993)
40. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
40
como estratos portadores de carbón, se suele preferir el método
de diferencia finita explícita, porque permite simular grandes
desplazamientos y el comportamiento no elástico con más facilidad
(figura 11). La realización de modelos por ordenador puede ser
una herramienta de diseño muy potente que permite llevar a
cabo estudios de los parámetros de forma extensa, como también
simulaciones de ‘¿qué pasaría si?’. Sin embargo, tres requerimientos
básicos se han identificado como necesarios para un diseño eficaz al
usar este método.
1 El modelo ha de poder simular con propiedad el
comportamiento de la roca y los mecanismos de rotura.
2 Las propiedades del material y los niveles de tensión inicial
deberían conocerse en detalle preferiblemente procedentes de
mediciones laterales.
3 El resultado del modelo se tiene que validar comparando
parámetros de medida como desplazamientos de roca y cargas
Figura 11: Modelo por ordenador de un trazado de bulones de mina
41. Los PERNOS como apoyo al diseño
41
de bulones, con predicciones de modelos.
No todos los trabajos de modelado cumplen, de ninguna manera,
estos requerimientos, ya que aumentan la dificultad y los costes.
Sin embargo, si se cumplen, el modelado numérico es uno de los
métodos de diseño más fiable de los disponibles.
4 Diseño observacional
Diseño observacional significa diseño por medida, una técnica que
se utiliza cada vez más tanto en la minería como en la ingeniería
civil. Con este sistema, se completa un diseño inicial utilizando la
información disponible y el diseño se modifica entonces durante
la construcción basándose en la información obtenida de los
parámetros clave de observación. Un buen ejemplo de esta técnica
de túneles es el Nuevo Método Austriaco de Excavación de Túneles
(NATM) que suele utilizar bulones y gunitado a modo de soporte.
La sincronización en la aplicación del soporte y el espesor del
gunitado varía dependiendo de los valores de convergencia del
túnel y las cargas soportadas. Para este sistema es importante que
la convergencia sea progresiva y que el soporte adicional se pueda
instalar rápidamente.
El diseño observacional aplicado al soporte de bulones en minas
de carbón se desarrolló en Australia y lo adoptó la British Coal y
se ha incorporado ahora en la guía de la industria del carbón del
Reino Unido (HSE 1996). El sistema utiliza datos procedentes de
los extensiómetros de barreno y bulones de carga calibrada para
confirmar la efectividad del soporte. El soporte adicional se instala si
el movimiento del techo excede los niveles de acción predefinidos.
Las condiciones de las minas de carbón son por lo general
adecuadas para utilizar las técnicas de diseño observacional, porque
la deformación de los estratos de la mina de carbón con bulones
se produce de forma relativamente lenta, dando tiempo a instalar
soportes adicionales; asimismo, la flexibilidad de los sistemas de la
mina, por lo general, permiten la instalación posterior de un soporte
adicional sin afectar seriamente la producción. Este método se
puede extender a otras minas con condiciones generales similares,
porque optimiza el nivel de soporte instalado manteniendo al
mismo tiempo un nivel de seguridad alto.
42. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
42
Instrumentación y control
El control del rendimiento del bulón una vez
instalado es importante para garantizar la
seguridad y también se utiliza para optimizar el
diseño, tal como se describe a continuación.
La gama de instrumentos disponibles, esto
incluye medidores de contracción, varios tipos
de extensómetros de barreno -desde simples
‘indicadores’ visuales a tipos multianclaje con
modelos de lectura remota- y bulones de
carga calibrada (figuras 12 13). Si se utiliza
el control para determinar el nivel de soporte
necesario, como en el método de diseño
observacional, deberían especificarse las tareas
del personal responsable, los procedimientos
de control necesario, las acciones de soporte
adicional y los momentos críticos en los que
hay que instalar el soporte adicional.
Optimización de los patrones de soporte
En el diseño de sistemas de soporte para
techo con pernos, pueden modificarse varios
factores para ayudar al diseñador a encontrar
la solución ideal. Estos son:
1 propiedades del material de anclaje;
2 longitud del perno;
3 corona anular del perno, perfil del
perno y estado de la pared del barreno;
4 diámetro del perno;
5 densidad del anclaje;
6 orientación del perno;
7 tensión del perno.
Figura 12: Indicador de altura dual
43. Los PERNOS como apoyo al diseño
43
Figura 13: Ejemplo típico de los datos del perno de carga calibrada
44. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
44
1 Propiedades del material de anclaje
La gran mayoría de los pernos están fabricados en acero.
Originalmente, los pernos estaban fabricados de barras de acero
corrugado pero actualmente son de fabricación específica para
maximizar la resistencia al deslizamiento y el alargamiento. La rosca
se suele estampar en vez de cortar para proporcionar a la sección
roscada una resistencia similar al resto del perno. Se puede utilizar
acero galvanizado o inoxidable en aquellos lugares donde sea
necesario aplicar protección anticorrosión. Además de los pernos
rígidos, existen los tipos flexibles realizados con cables de acero en
forma de filamentos trenzados, que se utilizan donde la longitud
necesaria no se puede conseguir con un perno rígido. La alternativa
más común para el acero como material de construcción de
pernos es el plástico reforzado con vidrio. Estos pernos son ligeros,
resistentes a la corrosión y pueden tener una gran resistencia a la
tracción.
Los medios de consolidación más importantes son las resinas de
poliéster y las lechadas de cemento. Las lechadas de cemento son
resistentes y duras, pero la gran ventaja de la resina de poliéster es
que se ajusta con rapidez y alcanza su resistencia útil en menos de
una hora en comparación con los hasta tres días necesarios para
los materiales de base cemento. La resina en cartuchos hace que
se pueda instalar con facilidad en el barreno y ha probado ser más
‘a prueba de tontos’ que las lechadas de cemento, que se pueden
debilitar considerablemente si se mezclan con demasiada agua.
Indicador rotativo.
45. Los bulones como apoyo al diseño
45
2 Longitud del perno
La longitud del perno empleado puede variar desde menos de
un metro a varios metros, o bien se utilizan unidades rígidas
individuales, unidades rígidas acopladas o unidades flexibles.
La longitud máxima puede verse limitada por consideraciones
operacionales como la accesibilidad, la alineación de los taladros y
el método de instalación. La elección de la longitud del perno se ve
influida primordialmente por las condiciones. Si la masa rocosa se
auto soporta en gran medida, el papel de los pernos puede limitarse
a proporcionar ‘soporte de superficie’, evitando el desprendimiento
del techo de las inmediaciones. En estos casos pueden utilizarse
los pernos cortos, a veces con una malla para incrementar el apoyo
de la zona. Como regla general, no se deberían utilizar pernos de
menos de 500 mm. Puede ser necesario utilizar pernos de mayor
longitud para evitar movimientos de bloques de roca y proporcionar
un refuerzo activo al techo sometido a sobrepresión y que se
rompe; en estos casos el método de diseño determinará la longitud
necesaria del perno.
Lectura del indicador
de altura dual.
46. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
46
Maximizar la resistencia de la unión del bulón permite
minimizar la longitud del perno utilizado. Cuanto más potente
sea la unión, más corta será la zona de anclaje del perno y mayor
la zona de soporte continua en la que la resistencia del perno es
capaz de resistir los movimientos del techo (figura 14). Esto es
aplicable donde el sistema de anclaje está diseñado para actuar
primordialmente para suspender una capa débil de una roca más
fuerte que se encuentra encima, y donde el perno resiste de forma
activa el movimiento en toda la zona reforzada.
3 Corona anular del perno, perfil del perno y estado de la
pared del barreno
La inyección de resina actúa como entrelazado mecánico entre el
perno y la roca, la resistencia de este entrelazado depende de tres
Figura 14: Efecto de la resistencia de unión en la carga máxima disponible del perno
para bulones completamente consolidados (según Mark et al. 2002)
47. Los PERNOS como apoyo al diseño
47
parámetros básicos: la corona anular del perno, el perfil del perno y
el estado de la pared del barreno, que determinan la resistencia de
unión alcanzada para un tipo de roca determinado.
La anchura de la corona anular (la diferencia entre el perno
y el diámetro de perforación) tiene una influencia fundamental
en la resistencia de unión que se alcanza. Hay dos motivos para
ello: la resistencia del entrelazado se maximiza si la corona anular
es pequeña ya que si el espacio es amplio en relación al perno,
la mezcla del cartucho de resina no se realiza adecuadamente.
Puede aparecer el efecto ‘Dedo de guante’ si el cartucho ha sido
penetrado por un extremo y el perno gira con este en lugar de
destruirle adecuadamente. Una corona anular demasiado pequeña,
sin embargo, da lugar a problemas a la hora de instalar el perno.
Se considera que la corona anular ideal debe tener unos 3 mm, lo
que significa que el diámetro de la broca debería ser de unos 5 mm
más que el del perno, porque el diámetro de los taladros suelen ser
entre 1 y 2 mm mayor que los diámetros de la broca. Los estándares
locales pueden especificar la corona anular máxima del perno a
emplear y los ensayos del emplazamiento se pueden emplear para
confirmar el tamaño de los taladros realizados y la resistencia de la
unión alcanzada.
La situación de las nervaduras del perno también influyen en la
resistencia y los perfiles de unión que lo maximizan y esto ha sido
desarrollado por varios proveedores. La utilización de una sección
redonda regular también es importante para dar una anchura anular
constante.
El estado de la pared del barreno es importante. Las marcas
del barreno incrementan de forma significativa la resistencia de
la unión. Algunos diseños de brocas producen más marcas que
otros. Las brocas de pala y de botones dejan unas paredes regulares
comparadas con las brocas de mariposa doble que se suelen diseñar
para maximizar las marcas. Sin embargo, la mayoría de las brocas
se pueden modificar para mejorar el marcado si es necesario; los
factores operativos como la velocidad de rotación y la fuerza de
empuje también son importantes para mejorar las marcas del
barreno.
El soplado del barreno también es importante, porque si el
barreno no se limpia bien, las paredes permanecen cubiertas de
48. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
48
polvo y se reduce la eficacia de la unión. El lavado con agua suele
ser la forma más eficaz de limpiar el barreno, pero las halitas y
algunas rocas ricas en arcilla son sensibles al agua por lo que no se
podrá emplear el baldeo húmedo. El soplado suele ser la alternativa
más empleada.
4 Diámetro del perno
Viene determinado por la resistencia necesaria del bulón y por la
necesidad de mantener la anchura de la corona anular pequeña. Por
ello, el diámetro del perno se tiene que elegir teniendo en cuenta
los diámetros disponibles en relación con los tamaños de barreno
realizables. Dentro de estos límites, cuanto mayor sea el diámetro
del perno, mayor será la carga de soporte resultante y en la mayoría
de los casos, menor el numero de pernos a instalar.
5 Densidad del anclaje
La densidad de anclajes es el número de pernos instalados por
área de superficie. Donde el sistema de anclaje está diseñado
para suspender una capa débil de una roca superior más fuerte, la
densidad de pernos se puede calcular partiendo del peso necesario
para sostener la roca y la resistencia de los pernos a utilizar tal como
sigue:
densidad de pernos =
peso de la roca del techo a soportar x factor de seguridad
resistencia del deslizamiento de los pernos x zona del techo
Esto presupone que el anclaje del perno en la capa más
fuerte permite movilizar la resistencia del perno completo, de lo
contrario los pernos serían expulsados antes de alcanzar la carga de
deslizamiento. Por lo general, los pernos juegan un papel más activo
a la hora de reforzar la roca y la densidad de pernos es mayor de la
que sería necesaria para soportar solamente las cargas derivadas de
la gravedad. Donde la rotura implica un movimiento de los bloques
en zonas discontinuas, la densidad de pernos se determina por la
necesidad de entrelazar discontinuidades y los bloques de anclaje en
la posición, y por ello depende de la orientación y el espacio de las
discontinuidades.
49. Los PERNOS como apoyo al diseño
49
6 Orientación del perno
La mayoría de los pernos están instalados verticalmente y la cavidad
suele ser de sección rectangular. Esto es lógico si se requiere el
máximo efecto de refuerzo en entornos de alta tensión/ baja
resistencia (p.ej. anclaje en yacimientos estratificados de minas de
carbón profundas), donde la intersección de las discontinuidades
es el objetivo primordial, puede ser mejor colocar los pernos
verticalmente para interceptar los planos discontinuos. Las
limitaciones operativas de la máquina perforadora, por ejemplo
jumbos, a veces supone que los pernos tienen que estar en un
ángulo ligeramente vertical para conseguir el patrón deseado.
Cuando los pernos están instalados en cavidades de perfil curvo, por
lo general se despliegan de forma radial o de abanico. Los pernos
laterales pueden ser horizontales o en ángulo para interceptar las
discontinuidades.
7 Tensión del perno
El tensado del perno se utilizaba originalmente en los pernos de
carga puntual para bloquear la cabeza del perno en su posición,
pero ahora se utiliza a menudo con pernos anclados con resina
ya que se cree que el efecto de la pretensión mejora la eficacia
del perno, produciendo una zona de compresión al volumen
de roca empernado. El capítulo 2 incluye una sección sobre los
aspectos técnicos del tensionado del perno, que concluye que
aunque la tensión incrementa la rigidez efectiva de los sistemas
de carga puntual, en estos momentos no existe acuerdo sobre la
conveniencia de utilizar cargas de alta tensión con anclaje rellenado
totalmente. La ventaja fundamental de tensar pernos consolidados
con resina puede ser que garantiza que la placa del perno está
colocada contra el techo, cerrando cualquier discontinuidad.
50. CAPÍTULO 4
Tipos de pernos y
materiales de
inyección
Tipos de pernos
1 Pernos de anclaje mecánico
Los pernos de agarre mecánico o anclajes con soporte de expansión
(figura 15) son métodos sencillos, relativamente económicos y
ampliamente disponibles para proporcionar soporte a las rocas. Este
tipo de perno ofrece soporte inmediato después de su instalación. El
perno se engrana aplicando fuerza de giro a la barra del perno que
al girar genera un acuñamiento de la corona y tensión en el vástago
del perno. A menudo están inyectados con posterioridad para hacer
del perno un anclaje permanente.
Figura 15: Pernos de anclaje mecánico o soportes de expansión
51. Tipos de PERNOS
bulones
y materiales de inyección
51
Sin embargo, este tipo de pernos tiene sus limitaciones. La
naturaleza de los procedimientos en los que trabajan limita su uso a
minas con piedras bastante duras. También son difíciles de instalar
de forma fiable ya que hay que aplicar el grado de torsión correcto
para garantizar que se alcance la carga adecuada. Las pérdidas de
la capacidad de asiento también se producen por las vibraciones
derivadas de una voladura o si la roca se desprende alrededor de la
boca del barreno como consecuencia de las altas tensiones.
2 Pernos de fricción
Los pernos de fricción (‘split sets’) (figura 16) se utilizan con mucha
frecuencia en la industria minera de roca dura donde hay un alto
grado de mecanización del anclaje y los estratos adecuados para
este medio. Como el propio nombre indica, estos pernos trabajan
empleando la fricción generada entre los estratos y el perno.
Los pernos de fricción son relativamente caros y no deberían
utilizarse como soporte a mediano/largo plazo, a menos que estén
protegidos contra la corrosión e incluso entonces su vida media se
encuentra limitada.
Figura 16: Pernos de fricción
52. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
52
3 Anclajes de fricción expandibles
Los anclajes de fricción expandibles (figura 17) se usan a menudo
como soporte temporal en minas de metal y túneles y se asocian
generalmente a la minería muy mecanizada. Estos anclajes se
colocan utilizando una bomba de agua a gran presión para expandir
el perno plegado a través de un orificio pretaladrado. Estos pernos
suelen sufrir corrosión y se está convirtiendo en una práctica
frecuente el inyectarlos con posterioridad para prevenirlo.
Figura 17: Anclajes de fricción expandibles
53. Tipos de bulones y materiales de inyección
53
4 Pernos inyectados
Durante muchos años se han utilizado frecuentemente los pernos
inyectados. El perno que se utiliza con mayor frecuencia es la
barra de acero corrugado o barra de vetas. Estos pernos se utilizan
por lo general combinados con inyecciones de resina o lechadas
de cemento y se pueden instalar tensados o sin tensar, para
proporcionar apoyo temporal o permanente en varias condiciones
de rocas.
Otro tipo de perno inyectado que se usa habitualmente es el
perno de cable inyectado. Se emplean muchos diferentes tipos
de pernos de cable, incluidos pernos de cable flexibles y cables
de efecto jaula, que se suelen aplicar en zonas que necesitan un
apoyo secundario. Estos
pernos se suelen inyectar
completamente con resina
o cemento, o con anclaje
puntual de resina e inyectarlos
con posterioridad utilizando
un sistema de cemento
bombeado.
Pernos de acero
Pernos flexibles
54. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
54
Tipos de materiales de inyección
1 Inyecciones de cemento bombeado
Existe una amplia gama de inyecciones de cemento bombeable
de marcas registradas disponible para su uso. Esta va desde
mezclas simples de cemento Pórtland a inyecciones formuladas
preenvasadas, como Lokset CB® de Minova con características de
ingeniería superior como expansión de ajuste anterior y posterior.
Estos sistemas se suelen mezclar por lotes por lo general utilizando
mezcladores sencillos y unidades de bombeo, muchas de las cuales
están disponibles en el mercado.
La naturaleza de la inyección permite una buena penetración
en los estratos: la inyección total por lo general garantiza una
buena unión entre el perno/cable y los estratos. Estas inyecciones
suelen ser relativamente económicas pero están expuestas a
Diversos tipos de pernos de cable.
55. Tipos de PERNOS y materiales de inyección
55
sufrir variaciones, derivadas principalmente de la poca disciplina
que se aplica a la hora de realizar la mezcla. La adición en exceso
incontrolada de agua para hacer el bombeado más fácil es una
práctica habitual.
Esto afecta de forma negativa el rendimiento de la inyección y
como consecuencia la del anclaje.
Estos tipos de inyección se aplican primordialmente para la
instalación de un soporte secundario unido a pernos de cable y del
tipo efecto jaula.
2 Cápsulas de cemento
Los cartuchos de cemento como los Capcem® de Minova, son una
buena alternativa a las inyecciones de cemento bombeado, ya que
son relativamente económicos y fáciles de usar. La naturaleza de
Cápsulas de cemento
Capcem®.
56. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
56
la encapsulación del cemento resuelve algunos, pero no todos los
problemas asociados con la poca disciplina de mezcla que algunas
veces se presentan en los sistemas bombeables.
El tiempo de fraguado puede ser un factor limitante, así como su
relativamente baja resistencia a la compresión.
La aplicación principal de las cápsulas de cementos se da en
zonas donde el tiempo que el estrato permanece abierto es largo,
como es el caso a menudo de las excavaciones en yacimientos de
roca maciza.
3 Cartuchos de resina
Los cartuchos de resina de poliéster como los Lokset®
de Minova
son probablemente el material de inyección de más extendido
uso. Se suelen suministrar en cartuchos de dos componentes y
son fáciles de usar e instalar. Su instalación precisa cierto grado
de mecanización y la relación entre el tamaño del taladro y del
perno tiene un efecto importante sobre
la efectividad del refuerzo terminado. La
instalación supone girar la barra o el cable
cuya acción rompe el cartucho, mezclando
la resina y el catalizador. La mezcla
resultante se endurece entonces, fijando el
perno en el taladro.
La mayoría de los fabricantes de
cápsulas oferta una gama de tamaños
y tiempos que se pueden adaptar a las
necesidades del sistema de anclaje exigido
y a las condiciones del macizo rocoso.
Esto significa que las cápsulas de resina
ofrecen una solución flexible a casi todos
los problemas de anclaje. Como se puede
modificar el tiempo y el tamaño de la
cápsula, permite un régimen de anclaje
muy flexible que se puede personalizar
para cumplir las necesidades de casi todas
las situaciones de anclaje.
Cápsulas de resina
Lokset®
57. Tipos de PERNOS y materiales de inyección
57
La posibilidad de cambiar el tiempo de reacción y el uso de
diferentes diámetros en el mismo taladro hace que los cartuchos
de resina sean óptimos para su uso donde se necesitan sistemas de
tensado posterior. Algunos fabricantes también producen cartuchos
como Lokset ‘Toospeedie’®
de dos tiempos de reacción de la
resina en una sola cápsula. Esto permite reducir la manipulación de
materiales en obra.
4 Resinas bombeadas (poliuretano, epoxídicas, poliéster)
En algunos lugares, el uso de resinas bombeables para anclajes se
ha convertido en algo habitual. Se utilizan a menudo junto con
pernos autoperforantes como Wiborex®
, y se usan en la actualidad
para consolidar el suelo friable y roto junto con inyecciones de
poliuretano como Bevedan/Bevedol®
.
Las resinas bombeadas tixotrópicas e inyecciones como Geothix®
y Wilthix®
se encuentran también disponibles para utilizarse con
pernos de tendones largos. El taladro se llena con la resina y la
naturaleza tixotrópica de la resina de inyección permite poder
insertar el bulón en el taladro.
Bomba Geothix®
58. CAPÍTULO 5
Guía para el uso de
pernos consolidados
con resina
Descripción
Las cápsulas de resina se componen por lo general de un sistema
de resina de poliéster de dos componentes en un cartucho de dos
cámaras (figura 18). La resina base de poliéster se encuentra en
un compartimiento y una pasta con peróxido orgánico en el otro.
La rotación del perno durante la instalación rompe el cartucho y
mezcla los dos componentes provocando una reacción química que
solidifica asegurando el perno en el barreno. La reacción química de
la resina puede ser alterada para que acelerar el tiempo de reacción.
El uso de dos tiempos de reacción en el mismo barreno permite
pretensar el perno.
La resina se puede ajustar a las necesidades específicas,
adaptando la velocidad, la viscosidad y el mástique al coeficiente
catalizador. Esto permite trabajar a temperaturas ambiente y poder
usar pernos y combinaciones diferentes. Si los dos componentes no
están bien mezclados, el proceso de solidificación de la resina no
bastará para proporcionar un anclaje eficaz.
Definiciones y recomendaciones de los
fabricantes
Tiempo de gelificación
Si el batido de resina de poliéster y el catalizador peróxido
orgánico se mezclan en la proporción correcta, la resina solidifica
correctamente. El tiempo de gelificación se considera la fase de
reacción en la que cualquier mezclado podría causar daños en la
resina endurecida provocando la pérdida de resistencia. El sistema
Lokset® ‘Spin to Stall’, desarrollado por Minova, ha sido diseñado
59. Guía para el uso de PERNOS
bulones
consolidados con resina
59
de forma que elimina el sobregiro por medio de una resina
especialmente formulada y un dispositivo limitador de la fuerza de
torsión en el perno.
Tiempo de estabilización
El tiempo de estabilización es el intervalo en el que el sistema
mezclado ha alcanzado el ochenta por ciento de su resistencia final.
Tiempo de endurecimiento
El tiempo de endurecimiento es el intervalo necesario para alcanzar
la resistencia final.
Resistencia de compresión
La mayoría de las normas de bulonado indican una resistencia de
compresión mínima necesaria para los componentes de la resina. BS
7861:pt 1 determina, por ejemplo, una resistencia de compresión
mínima de 80 MPa a un tiempo máximo de 24 horas.
Tiempo de giro
El tiempo de giro es el espacio de tiempo en que hay que girar el
Figura 18: Varias configuraciones de cartuchos de resina
60. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
60
perno para garantizar la mezcla eficaz de los dos componentes
dentro del barreno. También ayuda a garantizar que la película que
forma el cartucho se rompa de forma adecuada. Es importante
no exceder el tiempo de giro, ya que el giro en la fase de gel de
la resina causaría daños en la reacción, lo que daría lugar a un
anclaje poco eficaz o incluso inservible. Aunque este es el caso de la
mayoría de los sistemas, recientemente se han desarrollado avances
que eliminan el riesgo de sobregiro. El Lokset® ‘Spin to Stall’, como
ya se ha mencionado, ha sido diseñado para que el perno no pueda
sobregirar, lo que reduce el riesgo de que se produzcan daños en el
sistema de anclaje con resina.
Tiempo de espera
El tiempo de espera es el intervalo aproximado que el operador
tiene que aguardar después de instalar el perno antes de poder
tensarlo o quitar el brazo del jumbo. No se debe intentar nunca
tensar antes de que transcurra este tiempo, ya que la resina podría
deteriorarse. Muchos fabricantes indican tiempos de giro y de
Figura 19: Efecto de la temperatura sobre los tiempos de
consolidación
61. Guía para el uso de PERNOS consolidados con resina
61
fraguado para sus cartuchos de resina.
La reacción que se produce cuando los dos componentes
del cartucho de resina se mezclan depende de la temperatura
a la que se encuentran, por esto se recomienda que se realicen
ensayos junto con el fabricante para establecer los procedimientos
de operación más adecuados para elegir el producto final. Esto
permitirá al fabricante recomendar el cartucho que mejor se adapta
a las condiciones locales. La figura 19 muestra el efecto de las bajas
temperaturas en la reacción y el tiempo de fraguado.
Las circunstancias que el fabricante tendrá en cuenta incluirán
la temperatura ambiental de trabajo, la configuración del perno, la
longitud del taladro, el tipo/estado de los estratos y las regulaciones
locales. Estos factores determinan el diámetro y la longitud de
cartucho necesario, el tiempo de gelificación apropiado para las
temperaturas ambientales de trabajo, así como la resistencia, el
desplazamiento y la rigidez necesarios para cumplir los parámetros
de soporte diseñados.
Comprobación de los componentes e
instalaciones
En los últimos años, se han incrementado las expectativas y
demandas de la industria minera solicitando sistemáticamente una
alta calidad de los productos y servicios. Es fundamental que todos
los componentes implicados en el proceso de anclaje del techo
se comprueben esmeradamente y se controlen, para garantizar
que son aptos para el uso. Hay muchas normas diferentes para los
materiales consumibles de bulonado (como BS 7861, ASTM F432-
95) y cada una se aplica en una región específica. Estas normas
suelen estar formuladas para adaptarse a las condiciones que se
encuentran en esa región específica y es posible que los consumibles
aptos para una zona no lo sean para otra.
Pruebas de laboratorio
Todos los fabricantes de consumibles de bulonado deberán
haber llevado a cabo programas de investigación exhaustivos
para garantizar que el producto cumpla los estándares mínimos
deseados. Se deberán realizar también exámenes de control de la
62. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
62
calidad para garantizar que se respetan las normas en la fabricación
y es preferible que posean el certificado de un sistema de calidad de
reconocimiento internacional o que al menos aspiren a conseguirlo.
Estas pruebas incluyen a menudo el tiempo de gelificación y las
de resistencia a la compresión para garantizar que se cumplan los
requerimientos locales.
Almacenaje
El correcto almacenaje de los cartuchos de resina es fundamental
para garantizar un rendimiento eficaz. Tienen que guardarse
cubiertas en un lugar seco y fresco y protegidas de la luz solar
directa en todo momento. Lo ideal es que se almacenen bajo tierra
o en una estancia fresca tan pronto como sea posible después de su
recepción. Se recomiendan expresamente las salas frescas aisladas
con doble entrada o con unidades de refrigeración. La siguiente
opción es el almacenaje bajo tierra inmediatamente después de su
recepción (donde en climas cálidos las temperaturas pueden ser más
frescas que en la superficie).
El tiempo de vida medio sugerido es de cuatro meses si el
almacenamiento es entre 20 y 25°C.
El almacenaje a temperaturas más altas, como a 35°C, reducirá
el tiempo de durabilidad a aprox. 2–3 meses.
El almacenaje a temperaturas más bajas aumentará el tiempo
de durabilidad: el almacenaje a 10°C, por ejemplo, aumentará
el tiempo de durabilidad a aprox. 5–6 meses y a 0–3°C a aprox.
6–8 meses.
Se debe efectuar rotación de productos – es decir, el material
más antiguo se deberá consumir primero.
Se deberá almacenar unidades suficientes para cuatro semanas de
consumo, para evitar que se exceda la fecha de caducidad antes de
su uso.
El almacenaje a temperaturas altas (por encima de los 25°C)
hará que la resina del cartucho incremente su densidad y como
consecuencia las cápsulas estarán demasiado duras para ser
mezcladas. También es posible que los cartuchos pierdan rigidez,
lo que dificulta su manejo cuando se introducen en el barreno. Los
63. Guía para el uso de PERNOS consolidados con resina
63
primeros síntomas de este fenómeno es que las tuercas se rompen
pronto y no se llega a introducir todo el perno en el barreno.
Para combatir este síntoma, a menudo los operadores tienen que
empujar el perno sin girar (intentando llegar al fondo del barreno)
y empezar a girar una vez que se ha llegado al final para mezclar la
resina.
El incremento de densidad de la resina no debería debilitar
la consolidación si se siguen los procedimientos de instalación
correctos y se llega hasta el fondo del barreno: la máxima velocidad
de giro puede, de hecho, mejorar la resistencia de la resina. Incluso
si se almacena a temperatura ambiente (20–25°C), el batido de la
cápsula se espesará gradualmente y pasados unos cuatro meses,
algunas máquinas como, por ejemplo, perforadoras manuales con
escasa presión de aire pueden tener problemas. Por lo general,
las perforadoras comunes de empuje hidráulico no deberían tener
problemas con las cápsulas viejas.
El tiempo de vida media de los cartuchos es solo orientativo
y dependerá de las condiciones de almacenaje y el tipo de
equipamiento disponible en la mina.
Si se tiene alguna duda sobre el rendimiento de las cápsulas que
hayan excedido su fecha de caducidad, deberían realizarse ensayos
de tracción (ver abajo) para verificar las propiedades de transferencia
de carga.
Si cumplen los requerimientos de la mina y se puede llegar hasta
el fondo del barreno girando, entonces los cartuchos deberían
tener un rendimiento satisfactorio. Los fabricantes suelen estar
dispuestos a someter los cartuchos de fabricación propia a pruebas
de laboratorio en las instalaciones de la empresa.
Prueba de tracción de la encapsulación corta
La mayoría de las normas reconocidas recomienda realizar una
prueba de tracción de encapsulación corta para garantizar que los
consumibles elegidos sean aptos para el uso. Aunque los métodos
utilizados pueden variar de un sitio a otro, el principio general
consiste en ensayar los consumibles para establecer el rendimiento
que se puede conseguir, más que probar en cuanto a la destrucción,
que normalmente solo demuestra la resistencia del perno. Por
ejemplo, el ensayo de encapsulación corta permite mediciones in
64. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
64
situ del perno/resina/roca en varios horizontes del techo y permite
así establecer la relación entre los tres parámetros. Una prueba
hasta la destrucción, a menos que la instalación sea muy mala,
solo mostrará la carga de rotura para el perno. Como el ensayo
de tracción de encapsulación corta se realiza bajo tierra en las
condiciones normales de la mina, es un ejemplo muy transparente
de cómo funcionará el sistema de perno/resina/roca.
Se debería perforar una serie de barrenos a varias profundidades
para garantizar que el sistema de anclaje será el adecuado para
todas las capas de estratos encontrados en la zona de anclaje. Los
pernos se instalan entonces en el barreno usando una cápsula de
resina acortada cuya longitud se ha calculado previamente para que
dé como resultado un valor no superior a 300 mm.
El perno no debería tirarse antes de una hora ni después de
24 h una vez realizada la instalación, se debe emplear un equipo
de ensayo de tracción calibrado, operadores formados y los
procedimientos de seguridad adecuados. Esto es para garantizar
que en el anclaje con resina el perno tenga suficiente tiempo para
alcanzar resistencia y que no se produzcan movimientos del techo
que bloqueen mecánicamente el perno provocando una indicación
errónea.
Ubicación y métodos
Los ensayos deberían realizarse lo más cerca posible del frente de
excavación y la sección del techo elegida debe estar limpia y no
con riesgo de desprendimientos. Los pernos de ensayo no deberán
instalarse a través de mallas o cuadros metálicos y deberán colocarse
al menos a 300 mm entre pernos de la misma longitud separando
las líneas por al menos un metro.
Método utilizando un barreno ensanchado
El barreno de prueba deberá taladrarse hasta la parte superior
del horizonte de prueba con la corona necesaria y ensancharse
a continuación a un diámetro mayor hasta dejar los 300 mm de
profundidad del barreno de ensayo. Esto garantiza la exactitud de la
prueba de encapsulación.
El cartucho deberá acortarse por medio de una brida para
proporcionar suficiente presión y permitir un corte a 300 mm de
65. Guía para el uso de bulones consolidados con resina
65
longitud retirando el exceso de cartucho. La longitud del cartucho
necesaria se puede calcular por medio de la siguiente ecuación
(donde d = diámetro):
Una vez que se haya seccionado el cartucho, insertarlo con
cuidado en el barreno, de forma que no se dañe en el borde de la
sección ensanchada.
Prueba de tracción de
encapsulación corta
× longitud encapsulación(d² barreno – d² perno)longitud cartucho =
d² cartucho
66. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
66
Método utilizando un barreno no ensanchado
El estado de los estratos locales puede conllevar a que no sea
posible utilizar el método mencionado anteriormente. Este suele
suceder cuando se taladran estratos débiles como la lodolita y se
barre con agua. El agua de barrido puede hacer que se cree una
capa de lodo y agua en las paredes del barreno. Esto causa una
reducción de la eficacia del bloqueo mecánico entre la resina y la
roca, conllevando a resultados erróneos del ensayo.
En este caso, el barreno se deberá taladrar hasta la longitud
deseada con una broca estándar. Se deberá medir el diámetro
del barreno, del perno y del cartucho. Esto se puede utilizar para
determinar la longitud exacta de cartucho de resina necesario para
obtener una longitud de unión de 300 mm.
Instalación del perno
Una vez que se hayan preparado los barrenos y los cartuchos se
hayan seccionado a la longitud adecuada, se puede proceder a la
instalación de los pernos.
Insertar el cartucho y con la mano empujar el perno hasta que el
cartucho alcance el fondo del barreno y el perno se apoye sobre
este.
Elevar el martillo de bulonaje hasta el perno y ajustar.
Empujar y girar el perno hasta el fondo del barreno penetrando
la cápsula durante 3–5 segundos.
Para romper el spin de seguridad, girar el perno durante 5
segundos más.
Esperar el tiempo recomendado por el fabricante y a
continuación retirar el martillo.
× longitud encapsulación(d² orificio – d² perno)longitud cartucho =
d² cápsula
67. Guía para el uso de PERNOS consolidados con resina
67
Figura 20: Ajuste del equipo para la prueba de tracción de
encapsulación corta
68. LA GUÍA MINOVA - PERNOS inyectados CON resina
68
Prueba de tracción
Los ensayos no deberán realizarse antes de haber transcurrido una
hora desde su instalación ni después de 24 h. Esto asegura que la
resina haya tenido tiempo para endurecer y que ningún movimiento
del techo haya bloqueado el perno en el barreno.
El equipo tiene que instalarse como se muestra en la figura 20.
El pistón de tracción deberá estar alineado con el eje del barreno
para garantizar que el perno no entre en contacto con las paredes
del barreno. La mejor forma de hacerlo es limpiar el área alrededor
del barreno y entonces apuntalar con cuñas entre el techo y la placa
de apoyo. Cuando el ensamblaje está completamente alineado, el
vástago de la galga de medición se encuentra en la hendidura del
extremo del pistón de tracción, de modo que este también este
alineado con el eje del perno y la galga deberá estar bien anclada.
La carga se debe aplicar lenta, uniforme y sin pausas. El
desplazamiento del perno se debe fijar en intervalos de 10 KN.
Análisis
En la mayoría de los casos se encuentran disponibles programas de
ordenador para calcular la tensión de unión del sistema de perno/
resina/roca.
El programa se basa en los cálculos siguientes:
desplazamiento de unión
= desplazamiento medido del perno – (extensión del perno
+ extensión de la barra de tiro)
F × LF
Extensión en el perno =
ES
× ¶ × D2
/4
69. Guía para el uso de PERNOS consolidados con resina
69
Donde:
F = fuerza ejercida (newtons)
LF
= longitud libre del perno (mm)
= longitud del perno – (longitud de encapsulación +
longitud en la barra libre)
ES
= módulos Young para acero (MPa)
D = diámetro nominal del núcleo del perno (mm)
Se debería trazar el gráfico de la fuerza ejercida (kN) con el
desplazamiento de la unión (mm) (ver figura 21). La resistencia
de unión es la fuerza ejercida en la que la inclinación del gráfico
desciende por debajo de 20 kN/mm.
Figura 21: Resultados
del ensayo de tracción
de encapsulación corta
realizada bajo tierra
70. CAPÍTULO 6
Métodos de
instalación y
equipamiento
Instalación
Una unidad de perno consolidado con resina se compone
simplemente de una cartucho de resina de poliéster de dos cámaras
y una barra de acero con una placa y una tuerca. La instalación de la
unidad se realiza como se describe a continuación.
Paso 1
Taladrar un barreno con el diámetro y la longitud adecuados para
el perno que se utiliza. Un taladro demasiado grande malgastará
resina y reducirá el rendimiento del perno.
Hay que marcar la profundidad correcta del taladro con cinta o
cualquier otro método (figura 22). La longitud ideal del taladro es
50–60 mm más corto que el perno.
Con un equipo rotativo, la energía se transmite a través de
la barra de acero que gira y presiona la corona contra la cara de
corte. El borde cortante ejerce presión contra la roca y la rompe en
fragmentos.
El rendimiento de la broca del taladro depende de que los ajustes
del equipo de perforación sean correctos y del correcto manejo del
jumbo. Los ajustes mal realizados contribuyen al mal rendimiento de
la broca y a un desgaste excesivo más que cualquier otro factor.
La velocidad de rotación y los ajustes de empuje tienen que
adecuarse al estado de los estratos del sitio y tienen que controlarse
de forma continua para obtener el máximo rendimiento de la broca.
Para taladrar en húmedo en un techo duro, la regla general es
incrementar el empuje y reducir la velocidad de rotación. En un
techo blando se aplica lo contrario: reducir el empuje e incrementar
la velocidad de rotación.Figura 22:
Marcado del taladro