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Manual Sistema deRefuerzo de Rocascon Pernos SAFEROCK
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK
Autor:Dr. Ing. Alfonso Carvajal Rojas
Colaboradores:Eugenio Santander A.Jos Castillo M.
Editor:Carlos Rondon S.M.
Diseo y Produccin Grfica:Casenave y Asociados
Direccin de Arte:Soledad Casenave P.
Diagramacin:Ernesto Amaya G.
Ilustraciones:Ingrid Aguilera A.
Fotografa:Francisco AguayoJorge BrantmayerMatas del Campo
Impresin:M y M Servicios Grficos S.A.
Derechos Reservados (C) por Gerdau AZA S.A.La Unin 3070, Renca. Santiago de Chile.
Copyright (C) MMVII, por Gerdau AZA S.A.
SAFEROCK Marca Registrada N742199
Patente de Invencin 125-2005
Inscripcin en Propiedad Intelectual N 164.756.
1 Edicin: 2.000 ejemplares, junio de 2008
Impreso en Chile - Printed in Chile
No est permitida la reproduccin total o parcial de este documento, ni su tratamiento informtico, ni la transmisin de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrnico, fotocopia, registro u otros medios, sin la aprobacin y por escrito de Gerdau AZA S.A.
Otros documentos tcnicos de Gerdau AZA S.A. disponibles para los usuarios interesados, son:
Manual de Clculo de Hormign Armado
Manual de Armaduras de Refuerzo para Hormign
Manual de Diseo para Angulos Estructurales L-AZA
Catlogo Tcnico de Barras y Perfiles Laminados
Para consultas sobre nuestros productos y servicios, visite nuestra pgina web:
www.gerdauaza.cl
4Vista area de la Planta Renca de Gerdau AZA, instalacin donde son laminados los pernos SAFEROCK.
Gerdau AZA, empresa perteneciente al Grupo Gerdau,
tiene el agrado de presentar a la comunidad de
profesionales y estudiantes de los sectores de la
geotecnia, geomecnica, ingeniera de excavaciones,
ingeniera civil estructural y construccin, la primera
edicin de su Manual Sistema de Refuerzo de Rocas
con Pernos SAFEROCK, mediante el uso de barras
de acero producidas por Gerdau AZA.
El presente Manual, de 226 pginas, que consta de
once captulos y un anexo, tiene su contenido orientado,
fundamentalmente, hacia todos los profesionales
vinculados con el diseo, clculo y ejecucin de
excavaciones y la estabilizacin de estratos rocosos de
taludes en minas de tajo abierto y en caminos de alta
montaa, como tambin con la docencia de esta
especialidad. Esperamos que sea un aporte valioso y
necesario para todas las personas que lo utilicen como
texto gua o como un documento de consulta permanente.
Entre los temas abordados por el autor de este texto
podemos destacar, la propuesta para la ingeniera de
excavaciones, el mtodo de anlisis de riesgo, los
procedimientos de diseo para tneles de roca, la
descripcin y caractersticas del sistema de refuerzo
de rocas, con su respuesta y evaluacin, el estudio
y anlisis del perno SAFEROCK, su instalacin y una
serie de herramientas prcticas para el diseo.
Agradecemos, muy sinceramente, el valioso apor te
tcnico del autor y de su equipo interdisciplinario de
colaboradores de la Facultad de Ingeniera de la
Universidad de La Serena, a la empresa DSI
SOPROFINT por su inapreciable colaboracin en el
desarrollo del sistema de refuerzo SAFEROCK y a
cada uno de los integrantes de la Superintendencia
de Geomecnica de CODELCO Divisin El Teniente,
cuyos aportes y pruebas realizadas en terreno fueron
decisivas para lograr las mejoras del producto
SAFEROCK, al permitirnos contribuir a travs de
este medio, con la ingeniera y la construccin de
excavaciones en super ficie y subterrnea en Chile.
A todos ellos, un sincero reconocimiento por el
respaldo y la confianza que han depositado en nuestra
empresa y de manera muy especial, a todas las
personas que directa o indirectamente, da a da,
especifican y utilizan nuestros productos, como
tambin a aquellas que nos entreguen cualquier
apor te, obser vacin o comentario que sir va para
enriquecer estas pginas en futuras ediciones.
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK
5
6Del mismo modo, se entregan en forma grfica conceptos
extractados de la literatura especializada, que forma la
mayor parte de este trabajo, y proporciona algunas reglas
empricas de uso prctico y el procedimiento de instalacin
correspondiente. Lo anterior nos hace pensar que el
texto puede ser usado tanto por estudiantes como por
profesionales relacionados con construcciones o
excavaciones, ya sean estas de superficie o subterrneas,
como una herramienta para el diseo e instalacin del
perno de refuerzo SAFEROCK y su sistema.
El perno y la tuerca SAFEROCK, productos registrados
por Gerdau AZA de acuerdo con la Patente de Invencin
N 125-2005, han sido aplicados crecientemente y en
forma satisfactoria en Chile, en la fortificacin de tneles
y otras operaciones mineras de la empresa Codelco
Divisin El Teniente y en tneles y estabilizaciones de
suelos en construcciones del Metro de Santiago, entre
otras importantes obras de infraestructura.
La aceptacin y el xito que han tenido los pernos
SAFEROCK y su sistema entre los usuarios, se debe
a sus caractersticas y a las mejores tcnicas
introducidas en el diseo y fabricacin del conjunto,
lo que ha permitido ir desplazando paulatinamente a
los pernos tradicionales existentes en el mercado.
El presente Manual es el producto de tres proyectos de
investigacin encargados y financiados por Gerdau AZA.
Uno de ellos consisti en analizar la literatura relacionada
con los sistemas de refuerzo en roca, utilizando pernos
de acero, extractando los principios y fundamentos, que
en la consideracin del autor son los ms importantes,
y otros que son incluidos por su temario, teora y
principios sobre cmo se debe operar en la ingeniera
de excavaciones. Los otros dos proyectos corresponden
a investigaciones aplicadas, cuya finalidad fue lograr
un producto que tenga mejores propiedades y
comportamiento bajo solicitaciones de carga. De esta
manera, se estudi el diseo del perno SAFEROCK y
el sistema propuesto por Gerdau AZA, cuyos resultados
ms importantes aparecen en este trabajo.
Este manual no pretende constituir una obra de anlisis
profundo de los complejos fenmenos que se presentan
en la naturaleza de las masas de roca, cuando son
intervenidas por el hombre, sino ms bien el esfuerzo
est orientado a entregar una visin de conjunto de la
problemtica, dando pautas y formas de integracin de
los distintos actores que intervienen en la ingeniera
de excavaciones, tales como el diseo de; la excavacin
propiamente tal, la per foracin y voladura y el sistema
de refuerzo y/o soporte.
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK
7
En Chile ha participado en proyectos FONDEF y DIULS,
consultoras, conferencias tcnicas y cursos de
perfeccionamiento en empresas e instituciones como:
Codelco Chuquicamata, El Salvador, Andina y El Teniente,
Minera Las Cenizas, Los Pelambres, Candelaria y el
Instituto de Ingenieros de Minas.
El doctor Carvajal ha sido profesor tutor de varias
memorias de ttulo para ingenieros de ejecucin y civil
de minas, profesor tutor en el programa de postgrado
"Magster en Ingeniera de Recursos Minerales" para
ingenieros del Per, y actualmente es director del
Departamento de Ingeniera de Minas y de un proyecto
de posttulo virtual, miembro del consejo acadmico de
la Universidad de La Serena, profesor de los cursos de
per foracin y tronadura, mtodos de explotacin y
construcciones subterrneas y miembro permanente del
comit cientfico del International Mining Forum de Polonia.
Alfonso Carvajal Rojas, Ingeniero de Minas, Master of
Science (1994) y Doctorado (Sc.) (2003) con especialidad
en geomecnica minera de la Universidad de Ciencia y
Tecnologa de Polonia es, adems, Ingeniero de Ejecucin
de la ex Universidad Tcnica del Estado, Sede La Serena.
Se desempe en minera masiva durante diez aos en
Codelco Chile Divisin El Teniente y minera selectiva en
la Compaa Minera El Indio durante dos aos.
Ha publicado 18 artculos tanto en Chile como en el
extranjero, ha par ticipado en las redes temticas
iberoamericanas de Ciencia y Tecnologa para el
Desarrollo (CYTED), e invitado a par ticipar tanto en
proyectos, dictar conferencias tcnicas, cursos de
postgrado y visitas tcnico-cientficas en Per, Argentina,
Venezuela, Cuba, Ecuador, Brasil, Polonia, Espaa,
Inglaterra y la Repblica Checa.
8Productos y procesos de calidad reconocida y certificada
Captulo 4
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK
9
INFORMACION GENERAL
1.1 Proceso de Fabricacin y Control de Calidad 15
1.2 Identificacin, Dimensiones, Grados del acero y Caractersticas
de los Elementos del Sistema SAFEROCK 18
GENERALIDADES
2.1 El Refuerzo de Roca y la Calidad Total 25
2.2 Seguridad en Excavaciones 28
2.3 Control de Dao como Consecuencia de la Cada de la Roca 30
2.4 Accidentabilidad 30
2.5 Relacin Marco-Perno 32
2.6 Historia de su Aplicacin en Minera 33
LA INGENIERIA DE EXCAVACIONES
3.1 Ingeniera de Rocas 39
3.2 Propuesta para la Ingeniera de Excavaciones 45
3.3 Mtodo de Anlisis de Riesgo 50
PROCEDIMIENTO DE DISEO PARA TUNELES EN ROCA
4.1 Revisin al procedimiento de Diseo para Tneles en Roca 57
4.2 Procedimiento de Diseo de Tneles en Roca 59
4.3 Control del Debilitamiento de las Excavaciones Subterrneas 61
4.4 Tamao de la Excavacin y Nmero de Discontinuidades 62
4.5 Nivel de Esfuerzos 62
4.6 Diseo de Soporte para Rocas Sobrestresadas 67
4.7 Definicin del Criterio de Falla 68
4.8 Concepto Arco de Roca 71
Captulo 2
Captulo 3
Captulo 1
Captulo 6
Captulo 5
10
Captulo 7
Captulo 8
COMPUTACION APLICADA AL DISEO DE EXCAVACIONES
5.1 Aspectos Generales 75
5.2 Gua para el Modelamiento Numrico 77
5.3 Clculo en dos o tres Dimensiones 80
5.4 Resumen 81
SISTEMA DE REFUERZO DE ROCAS
6.1 Conceptualidades del Refuerzo 85
6.2 Tipos de Refuerzo 86
6.3 Accin del Refuerzo 87
6.4 Componentes del Sistema de Refuerzo SAFEROCK 89
6.5 Clasificacin del Sistema de Refuerzo SAFEROCK 90
6.6 Comportamiento del Sistema de Refuerzo Perno Tuerca SAFEROCK 92
6.7 Elemento Externo - Planchuela (4) 96
6.8 Lechada como Elemento de Adherencia en Sistema de Refuerzo 97
RESPUESTAS DEL SISTEMA REFUERZO - ROCA
7.1 Conceptos Fundamentales 105
7.2 Interaccin en la Interfase Roca-Lechada 106
7.3 Interaccin en la Interfase Lechada-Perno SAFEROCK 109
7.4 Interfase de Tranferencia de Carga Roca-Refuerzo 110
7.5 Modos de Falla Bajo Carga Axial del Sistema SAFEROCK 112
EVALUACION DEL SISTEMA DE REFUERZO
8.1 Refuerzo de Roca Intacta 115
8.2 Refuerzo en Roca Fracturada 115
8.3 Diseo de Refuerzo 117
8.4 Comportamiento del Refuerzo en Roca Fracturada 118
8.5 Procedimiento para Refuerzo en Roca Fracturada 119
8.6 Evaluacin de Estabilidad de Bloques no Reforzados 120
8.7 Diseo de Refuerzo de Bloques 122
8.8 Valorizacin de Estabilidad de Bloques Reforzados 124
8.9 Teoras de Refuerzos 126
Manual Sistema de Refuerzo de Rocas con Pernos SAFEROCK
11
Captulo 9
Anexos
Captulo 10
Captulo 11
ESTUDIO DEL PERNO SAFEROCK
9.1 Modelamiento Numrico de Pruebas de Pull Out (Software Flac) 135
9.2 Ensayo de Pull Out, Perno SAFEROCK 145
HERRAMIENTAS PRACTICAS DE DISEO
10.1 Introduccin 153
10.2 Reglas Empricas para Esfuerzos y Control de Terreno 153
10.3 Mecanismos Tericos de Refuerzo 156
10.4 Clasificacin de Refuerzos de Rocas para Tneles 159
10.5 Indice de Calidad de Tneles Q 160
10.6 Geological Strength Index GSI 171
10.7 Indice de Masa Rocosa RMI 182
10.8 Ejemplos 192
PROCEDIMIENTOS DE INSTALACION SAFEROCK
11.1 Procedimiento de Instalacin 197
11.2 Perforacin 197
11.3 Inyeccin 201
11.4 Riesgos y Medidas de Control 203
A.1 Trminos y Definiciones 211
A.2 Normas de Referencia y Alcance del Reglamento de SERNAGEOMIN 213
A.3 Conversin de Unidades 222
Bibliografa 224
Captulo 1
Informacin General
1.1 Proceso de Fabricacin y Control de Calidad
1.2 Identificacin, Dimensiones, Grados del Acero y Caractersticas
de los Elementos del Sistema Saferock
Captulo 1: Informacin General
15
1.1 PROCESO DE FABRICACION Y CONTROL DE
CALIDAD
1.1.1 Proceso de Fabricacin del Acero Gerdau AZA
En Gerdau AZA, el proceso de fabricacin del acero se
inicia con la seleccin, procesamiento y corte de trozos
de acero en desuso, la chatarra, que es la materia prima
bsica. Otros elementos que tambin son empleados en
la fabricacin, son las ferroaleaciones, oxgeno, cal y
fundentes, entre otros.
En primer lugar, la materia prima se carga en cestas, en
proporciones adecuadas para satisfacer las especificaciones
del proceso de fabricacin del acero, las que son
trasladadas a la Acera para alimentar el horno de arco
elctrico. Toda la carga es fundida en el horno de 60
toneladas de capacidad, mediante la aplicacin de un arco
elctrico que desarrolla una potencia de 45.000 kVA.
Una vez terminado el proceso de fusin, en donde toda
la carga pasa del estado slido al estado lquido, momento
en el cual alcanza una temperatura de alrededor de
1.630C, el acero es trasladado a un Horno de Cuchara,
donde se realizar la etapa de afino y se proceder a
tomar muestras de acero para realizar el anlisis de
espectrometra, con el propsito de conocer su composicin
qumica. Durante toda la etapa de fusin, se inyectan al
horno importantes cantidades de oxigeno para extraer y
remover las impurezas y cumplir as con los estndares
de calidad preestablecidos.
Luego de conocido el informe sobre la composicin qumica,
se realizan las correcciones necesarias mediante el proceso
de afino, lo que permite obtener la composicin y purezas
deseadas. De esta forma, los diferentes grados del acero
Gerdau AZA se obtienen, de un cuidadoso control de la
composicin y mediante la adicin de ferroaleaciones,
como el ferromanganeso y ferrosilicio, aprovechando la
mayor afinidad qumica de estos elementos, para formar
entre otros, xidos y sulfuros que pasan en mayor cantidad
a la escoria.
Cuando el acero lquido cumple con las especificaciones
requeridas, tanto de composicin qumica como de
temperatura, ste es trasladado en la cuchara hasta la
mquina de colada continua, donde se realizar el colado
del acero.
1.1.2 Colado del Acero
Obtenido el acero en su estado lquido, ste debe
solidificarse en la forma conveniente para su empleo
posterior en los trenes de laminacin. Esto se hace
mediante un equipo de colada continua, en el que se
aplica un proceso que transforma el acero lquido en
un producto semiterminado, llamado palanquilla, que
son barras macizas de 130 x 130 mm de seccin.
Figura 1.1: Operacin de Carga de Horno Elctrico, Planta Colina, Gerdau AZA.
16
Luego de esto, las palanquillas son inspeccionadas
visualmente para detectar eventuales defectos
superficiales o de forma. Despus de aprobadas, las
palanquillas son separadas por coladas, identificadas y
almacenadas para la operacin siguiente: la laminacin
en caliente.
1.1.3 Laminacin en Caliente de las Barras
La laminacin en caliente, es un proceso de transformacin
termomecnico, en donde se da la forma final a los
productos siderrgicos. En el caso de los pernos
SAFEROCK, el proceso es el siguiente: en la planta de
laminacin, las palanquillas son seleccionadas segn el
grado del acero del producto final y son cargadas a un
horno de recalentamiento horizontal, donde alcanzan una
temperatura uniforme de 1.200C, lo que permitir su
deformacin plstica durante el proceso de laminacin
en caliente.
En este proceso, la palanquilla es tratada mecnicamente,
hacindola pasar sucesivamente por trenes de
El acero lquido que se encuentra en la cuchara de
colada, es transferido a una ar tesa o distribuidor,
desde donde pasa a las vas de colada.
Desde el distribuidor, el acero cae dentro de tres
lingoteras de cobre sin fondo, de doble pared y
refrigeradas por agua, donde se inicia la solidificacin
del acero, con la formacin de una delgada cscara
super ficial endurecida, que contiene an su ncleo de
metal en estado lquido.
Para ayudar a acelerar la formacin y engrosamiento
de dicha cscara, las lingoteras tienen un movimiento
de oscilacin ver tical que, adems, impide su
adherencia a las paredes del molde y permite su
transpor te hacia el mecanismo extractor.
Despus de dejar las lingoteras, tres metros debajo
de stas, el acero super ficialmente slido, es tomado
por juegos de rodillos refrigerados con chorros de agua
a alta presin, solidificndose completamente, y ya
conver tido en palanquilla, cor tado automticamente
mediante cizallas, a la longitud deseada.
Figura 1.2: Lneas de colada continua de acera, Planta Colina, Gerdau AZA.
Captulo 1: Informacin General
17
laminacin, las cuales van reduciendo su seccin
original y consecuentemente, aumentando la longitud
inicial. De esta forma, se lleva la seccin transversal
de la palanquilla cada vez ms prxima a la forma y
dimetro final del perno SAFEROCK, con su geometra
y dimensiones caractersticas y con la marca que
identifica el origen o fabricante.
En su planta ubicada en la comuna de Renca,
Gerdau AZA posee un laminador de 100.000 toneladas
anuales de capacidad, que permite controlar el
enfriamiento de las barras, con lo cual las propiedades
mecnicas finales de los pernos SAFEROCK, son
determinadas con gran precisin. Cada uno de los
pernos son conducidos hasta el final del tren de
laminacin, a una parrilla o lecho de enfriamiento
donde terminan de enfriarse, para luego proceder al
cor te a la medida deseada y posteriormente ser
empaquetados y almacenados. Al final del proceso de
cor te se extraen las muestras para su aprobacin y
cer tificacin de acuerdo a las normas vigentes.
1.1.4 Control de Calidad y Cer tificacin
Todo el proceso de fabricacin de los pernos
SAFEROCK, est cer tificado bajo las normas ISO
9001, ISO 14001 y OHSAS 18001; de esta forma,
a lo largo de todas las etapas de fabricacin del
producto existen monitoreos, mediciones y ensayos
de los procesos.
Desde la seleccin de la chatarra y otros insumos,
pasando por la fabricacin del acero lquido, su
composicin qumica, hasta el control de las
dimensiones finales obtenidas en la laminacin en
caliente, conforman un complejo sistema que permite
asegurar la obtencin de productos de calidad, de
acuerdo a los actuales estndares.
La cer tificacin de calidad del acero de todas las
par tidas de pernos SAFEROCK en Gerdau AZA, da
cumplimiento a la norma chilena NCh 204.Of2006.
Esta exigencia establece la extraccin, identificacin
y retiro de muestras por inspectores acreditados,
normalmente de algn organismo de ensaye de
materiales autorizado por el Estado. En el caso de
Gerdau AZA, el cer tificado es entregado por el
Instituto de Investigaciones y Ensaye de Materiales
de la Universidad de Chile, IDIEM.
Las muestras son preparadas para ser sometidas a
ensayos normalizados de traccin, midindose las
propiedades mecnicas ms relevantes, como la
tensin de fluencia, la carga mxima y el alargamiento
de rotura.
Los resultados de los ensayes, se presentan en
cer tificados de calidad, en los que se identifica
el material ensayado y se entrega el veredicto de
cumplimiento con la norma, constituyndose enFigura 1.3: Sala de Control de Laminacin, Planta Renca, Gerdau AZA.
18
una garanta del producto para el usuario.
Peridicamente y como una medida adicional de
control, se efecta un anlisis estadstico de las
propiedades mecnicas sobre toda la produccin de
barras y a cada una de las coladas producidas.
1.2 IDENTIFICACION, DIMENSIONES, GRADOS DEL
ACERO Y CARACTERISTICAS DE LOS
ELEMENTOS DEL SISTEMA SAFEROCK
1.2.1 Identificacin y Dimensiones de los Elementos
Gerdau AZA, en sus instalaciones ubicadas en Santiago,
produce y comercializa pernos SAFEROCK, en barras
rectas destinados al reforzamiento de estratos rocosos
y suelos.
Figura 1.4: Laboratorio de Ensayes Mecnicos de IDIEM, en Gerdau AZA.
La identificacin exclusiva que utiliza nuestra empresa
en este producto, consiste en caracteres bajo relieve,
los cuales incluyen la marca de origen Gerdau AZA
SAFEROCK. Otra identificacin visible de los pernos
es el color amarillo en el extremo de la barra que recibe
la tuerca.
Tabla 1.2.1
Identificacin y Dimensiones de los Elementos del Sistema de Refuerzo de Rocas
Elemento
Dimensiones Masa Unitaria Forma de entrega Esquema de los Elementosmm
(*)Perno Diametro 22 2,85 kg/m Barra Recta
Planchuela 200 x 200 x 5
1,6 kg/unid Unidad
Tuerca 45 x 45 0,215 kg/unid Unidad
(*) Otros dimetros y largos, distintos a 6 m, estarn sujetos a previa consulta a Gerdau AZA
SAFEROCK
SAFEROCK
Estndar
Captulo 1: Informacin General
19
Adems de lo anterior, Gerdau AZA, identifica el contenido
de todos los paquetes de los pernos SAFEROCK,
mediante una etiqueta plstica, con todos los datos
concernientes a la fabricacin de las par tidas del
producto.
Figura 1.5: Barra para Pernos SAFEROCK.
Sello indica que los sistemas de gestin estn certificados de acuerdo a Normas ISO 9001, ISO 14001 y OHSAS 18001
Descripcin delproducto
Fecha y horade fabricacin
Peso delpaquete
Nmero decolada
Sello indica que los productos estn limpios y libres de contaminacin
Grfico 1.2.3
Curva Tensin-Deformacin Barras para Pernos SAFEROCK, grado A440-280, 22 mm
20
1.2.3 Relaciones Tensin-Deformacin
El ensaye de traccin se realiza sobre muestras de pernos
SAFEROCK en su seccin completa, de la forma como
salen de la laminacin, dando as cumplimiento a la norma
oficial chilena NCh200.
En el grfico siguiente se muestran los resultados de
ensayes de traccin, en barras para pernos SAFEROCK
para el grado A440-280, con una curva en barras de
22 mm de dimetro.
Esta curva presenta claramente una zona de fluencia,
en donde una vez alcanzado el lmite elstico o tensin
de fluencia, la probeta empieza a deformarse
plsticamente bajo tensin constante.
Fuente: Laboratorio de Ensayos IDIEM
0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,3000
100
200
300
400
500
600
700
800
s,
MPa
1.2.2 Grado del Acero de los Elementos del Sistema
Tabla 1.2.2
Propiedades Mecnicas de los Elementos del Sistema de Refuerzo de Rocas SAFEROCK
Grado delResistencia a la Traccin Tensin de Fluencia
AlargamientoElemento
Acero(Fu) (Fy) %
MPa kgf/mm2 MPa kgf/mm2
PernoA440-280 440 44,9 280 28,6 16%
Planchuela A270ES 410 a 510 41,8 a 52,0 270 27,5 20%
Fundicin
Tuerca Nodular Dctil 457 46,6 320 32,6
ASTM A536SAFEROCK
SAFEROCK
-------
1.2.4 Certificado de Calidad
A requerimiento del ingeniero responsable del proyecto,
el propietario, la empresa minera o constructora, el
contratista instalador o del inspector tcnico de la
obra, Gerdau AZA, est en condiciones de entregar,
sin costo adicional, un Certificado de Calidad para los
pernos SAFEROCK, emitido por un organismo de
ensaye de mater ia les
autorizado por el Estado, que
permite certificar y autorizar
el uso de las par tidas de
a c e r o e n o b r a s d e
reforzamiento de rocas y
suelos de acuerdo a las
e s p e c i f i c a c i o n e s d e l
proyecto.
Se recomienda a quin
recibe las barras en la obra,
que exija a sus proveedores
las par tidas identificadas
c on sus r e spec t i v a s
etiquetas. De esta forma,
a n t e c u a l q u i e r d u d a
poster ior, se faci l i tar
chequear la cer tificacin
entregada, con el material
respectivo.
Impor tante: En el caso de
b a r r a s d e o r i g e n o
procedencia desconocida, se
deber tomar la precaucin
d e v e r i f i c a r q u e l a
informacin del cer tificado
de calidad sea coincidente
con los datos contenidos enFigura 1.6: Facsmil del Certificado de Calidad IDIEM barras SAFEROCK.
Captulo 1: Informacin General
21
las etiquetas de los atados o paquetes de barras
recibidos.
A continuacin, se adjunta un facsmil de cer tificado
de calidad, emitido por el IDIEM, el que describe
los controles necesarios a que son sometidas los
pernos SAFEROCK, y los resultados obtenidos en
los ensayes
Captulo 2
Generalidades
2.1 El Refuerzo de Roca y la Calidad Total
2.2 Seguridad en Excavaciones
2.3 Control del Dao como Consecuencia de la Cada de la Roca
2.4 Accidentabilidad
2.5 Relacin Marco-Perno
2.6 Historia de su Aplicacin en Minera
2.1 EL REFUERZO DE ROCA Y LA CALIDAD TOTAL
Las empresas creadoras de bienes y/o ser vicios,
enfrentan actualmente una fuer te competencia por
efecto de la globalizacin de los mercados y de la
utilizacin de las modernas tecnologas de la
comunicacin, que han permitido el acceso a la
informacin y contacto con cualquier empresa
productora en el mercado.
La situacin anterior ha llevado a las empresas
productoras de bienes a cambiar la forma de
relacionarse con el cliente, interactuando con ellos,
con la finalidad de buscar la manera de mejorar los
productos, no slo para el proceso de venta, sino
tambin para ofrecer un servicio de postventa que le
permita mantener el liderazgo en el mercado, revisando
y mejorando constantemente los procesos involucrados.
Lo anterior exige a los productores realizar un
mejoramiento continuo en el proceso, siendo proactivos
para evitar situaciones de crisis que les puedan provocar
los productos o servicios de postventa en los mercados
en los que actan, como asimismo anticiparse a
problemas derivados de la competencia, las materias
primas, prdidas por desechos, prdidas de tiempo
en la fabricacin de productos, etc.
En este caso particular, la fabricacin de pernos para
reforzamiento de rocas no puede abstraerse al concepto
de calidad total y mejoramiento continuo, considerando
el servicio que presta para mantener la seguridad en
faenas mineras subterrneas, tneles rodoviarios y
ferroviarios, estabilizacin de taludes, etc., es decir,
evitar accidentes en aquellos lugares de alto trnsito
que, de no mediar algn tipo de for tificacin, seran
zonas de alto riesgo.
Estos pernos permiten mantener la integridad de la
Captulo 2: Generalidades
25
excavacin sometida a esfuerzos, de manera que acte
como un todo, es decir, fijando cualquier tipo de roca
suelta o estrato, anclndola profundamente a la roca
madre o mejorando la friccin entre las discontinuidades.
El mejoramiento continuo para estos sistemas se obtiene
cuando todos los involucrados, es decir, clientes, empresa
productora y trabajadores, estn orientados hacia el
mismo propsito de calidad; este propsito no es otro
que entender las necesidades del cliente, satisfacerlas
y de ser posible excederlas.
Por otro lado, el cliente debe utilizar estos sistemas
apropiadamente; lo mismo ocurre con su instalacin, la
que debe ser controlada eficientemente para cumplir con
los procedimientos de manera correcta. Lo anterior
permitir obtener el mximo de rendimiento del sistema.
En el mercado globalizado actual se debe competir en
igualdad de condiciones con empresas tanto nacionales
como internacionales, en trminos del diseo del
producto, costo y calidad. Esto ltimo involucra la
facilidad, tanto en el transporte como en la operacin
misma; por lo tanto, el fabricante de pernos debe tener
presente las necesidades reales del cliente para
entregar productos de alta calidad y competitivos en
materia de costos.
Por otra par te, la relacin de confianza que se va
generando entre productor y cliente en un mercado
globalizado es frgil, por las infinitas opciones de
compra y servicio integral que posee el cliente. De
esta manera, la empresa fabricante de pernos, el
distribuidor y el cliente, si no son capaces de detectar
(Control de Calidad), prevenir (Garanta de Calidad) y
mejorar continuamente (Calidad Total) las fallas en los
productos, por muy mnimas que stas sean, puede
hacer naufragar la sociedad empresa- proveedor-cliente.
(Ver figuras 2.1, 2.2 y 2.3).
26
La gravedad que puede tener un perno que se fatigue
sin mediar una causa que lo explique, que podra ser
producto de una mezcla deficiente en las materias
primas de la produccin del acero, o una mezcla de
cemento - agua no apropiada por par te del operador,
puede amenazar fuer temente la permanencia de la
empresa productora en el mercado, ya que un cliente
insatisfecho transmitir la informacin de esta situacin
a una mayor cantidad de pares, si la comparamos
con un cliente satisfecho.
Por otro lado, el cliente puede perder la opor tunidad
de utilizar, tal vez, un producto de alta calidad y
rendimiento por el solo hecho de no manejar la
informacin adecuada, los principios esenciales y
los fundamentos que rigen el compor tamiento de
estos sistemas.
La calidad total nos lleva a detectar los puntos
dbiles y a corregirlos no slo en normas y medidas,
sino tambin con cambios en la mentalidad de trabajo
y con un mayor cuidado en la forma en que se debe
enfrentar el trabajo ante la necesidad del cliente.
En el caso de las excavaciones, quienes las
construyen pasan a formar par te de un ser vicio de
construccin minera, cuya clientela estar constituida
por los diversos usuarios que existen en las obras
civi les (generacin de electricidad, trfico de
vehculos, galeras mineras etc.). Por lo anterior, en
este texto se presentan los elementos principales
Figura 2.2: Deformacin de planchuelas debido a cargas.
Figura 2.1: Evolucin de la calidad en el tiempo. Figura 2.3: Ruptura de la tuerca.
Mejora de la calidad
Tiempo1980 1990
Mejora continua
Prevenir defectos
Detectar defectosControl
de calidad
Garantade calidad
Calidadtotal
2000
Captulo 2: Generalidades
27
de ingeniera para el anlisis de reforzamiento de
excavaciones.
Gunnar Nord (2005), en Controllable Rock Reinforcement
cita el ejemplo de un tnel de 80 m2 de seccin el que
est siendo desarrollado en caliza fracturada con
estratos arcillosos, a travs de un par de fallas
mayores, con 350 m de sobrecarga y un significativo
flujo de agua; la fase de per foracin ha decrecido
desde 40%, del tiempo total de per foracin hace 20
aos, a slo el 20% en la actualidad.
La figura 2.4 muestra el desarrollo de la per foracin
y operaciones auxiliares en 25 aos. Ntese que las
diferentes fases del ciclo han tenido el mismo
desarrollo.
El shotcreting muestra una positiva tendencia a
reducir el tiempo, mientras que el carguo de limpieza
presenta un notable menor avance.
Si se consideran pernos con lechada a columna
completa e instalados con un Jumbo o con un equipo
automtico para apernado, el incremento en
productividad no guarda relacin con la fase de
per foracin. En el caso tratado se registra un 10%
solamente. Lo anterior verifica que esta fase es un
cuello de botella para el ciclo de excavacin, donde
queda an mucho por hacer.
Figura 2.4: Cambios en los tiempos de cada componente del ciclo de excavacin en los ltimos 25 aos. Gunnar Nord 2005.
28
2.2 SEGURIDAD EN EXCAVACIONES
2.2.1 Reduciendo la Exposicin por Cada de Roca
La cada de roca es uno de los mayores riesgos para
los trabajadores de la industria minera subterrnea. El
desarrollo y la implementacin de un efectivo Programa
de Gestin para reducir los accidentes por cada de
roca, o un sistema de gestin que incorpore un equipo
de trabajo conformado por la gerencia, staf f de
ingenieros, operarios, y asesores, puede ayudar a reducir
los riesgos asociados a la cada de roca, y en cier tos
casos eliminarlos.
La base de datos que se ha generado a par tir de los
resultados de las investigaciones realizadas, tanto por
los organismos fiscalizadores estatales, como por las
investigaciones internas que llevan acabo los
profesionales responsables de la gestin de Prevencin
de Riesgo y Seguridad al interior de las empresas,
permiten indicar que existe una serie de elementos
agentes comunes, que contribuyen o son factores
relevantes en las causas que generan los eventos de
cada de roca.
Por qu ocurre la cada de roca?
La cada de roca o planchones se produce cuando por
razones diversas, el macizo rocoso colapsa o falla, lo
que genera una inestabilidad y por accin de la gravedad
esta masa se desliza en forma repentina, por ello el
objetivo principal del diseo de los sistemas de refuerzo
para las excavaciones subterrneas, es ayudar al macizo
rocoso a sopor tarse, es decir, bsicamente estn
orientados a controlar la "cada de rocas" que es el
tipo de inestabilidad que se manifiesta de varias
maneras, siendo las ms impor tantes las fracturas
debidas a situaciones del tipo:
Gravitatorio (desprendimiento y/o desplazamiento)
Violentas o Explosivas (Rock Burst)
La mayor o menor gravedad de las consecuencias de
este planchoneo depende nicamente de la previsin
o medidas de control adoptadas.
Controlar los riesgos de accidentes a personas, equipos
y prdidas de materiales producto de la inestabilidad
que presenta una labor durante su apertura, constituye
una preocupacin primordial que debe ser considerada
en la planificacin de las labores mineras.
2.2.2 Factores que Inciden en la Cada de Roca
A continuacin se indican algunos factores relacionados
con aquellos aspectos operativos y otros agentes
mecnicos que han sido identificados como elementos
recurrentes en los resultados de las investigaciones
realizadas, no todos son causantes del fenmeno de
cada de roca, pero han contribuido en cierto grado como
parte del o los mecanismos que origin la cada de roca.
Factores geolgicos: Se relacionan directamente a las
caractersticas del macizo rocoso; tipo de roca,
alteraciones, fallas, discontinuidades o diaclasas, lo
que origina el debilitamiento y luego el desprendimiento
de rocas.
Factores ambientales: Los cambios bruscos de
temperatura, la humedad y la presencia de agua
subterrnea, son factores que contribuyen a debilitar
la roca.
Campo de esfuerzo: Cuando las excavaciones llegan a
grandes profundidades se originan grandes esfuerzos en
la masa rocosa, lo que origina fracturas y luego la cada
de rocas.
Mtodo de explotacin: Un mtodo de explotacin
inapropiado al tipo y calidad de roca, influye en la
Captulo 2: Generalidades
29
inestabilidad de la excavacin y del entorno del macizo
rocoso.
Efectos por tronadura: El uso excesivo de explosivos
en una tronadura debilita las paredes y el techo de la
excavacin, lo que provoca la generacin de
microfracturas y apertura de diaclasa, las que pueden
provocar cada de roca.
Per foracin deficiente: No conservar el paralelismo
de las per foraciones contribuye a formar zonas de
sobreexcavacin y cuas que pueden desprenderse.
Corrosin del elemento estructural
Uso de acero negro, sin encapsulado en ambientes
agresivos.
Fracturas del grout en ter renos sujetos a
permanentes cambios de tensiones y por no
considerar un pre-tensado del elemento.
Prdida de grout por un encapsulado incompleto del
elemento, lo que permite que la infiltracin de agua
erosione el grout .
Cambio del pH, volumen y propiedades qumicas,
de las aguas de infiltracin subterrnea.
Incorrecta instalacin del sistema de estabilizacin
Pernos instalados con equipo mecanizado tipo Jumbo
en excavaciones pequeas con ngulos menores a
la normal de la super ficie (subhorizontal).
Longitud de encapsulado menor que la especificada.
Dosificacin incorrecta del grout o lechada de cemento.
Longitud de anclaje insuficiente en roca sana.
Dimetro de perforacin inadecuado para el tipo de
sostenimiento a emplear (anclaje por friccin, perno
resina).
Diseo incorrecto y/o aplicacin inapropiada del sistema
de estabilizacin
Escasa capacitacin del personal (incluidos ingenieros
y operador) en la identificacin de cuas y otras
estructuras geolgicas riesgosas.
Personal no competente para el anlisis, evaluacin
e inspeccin visual de condiciones de riesgo del macizo
rocoso.
Colapso y cada de roca daada por la efecto del
proceso tronadura y un mal proceso de saneamiento
al iniciar el proceso de apernado.
Aplicacin del perno de anclaje por friccin para el
control de grandes bloques.
Uso solo de perno de anclaje como refuerzo para la
estabilizacin, en zonas donde se requiere una
combinacin de refuerzo + sopor te, mediante la
aplicacin de shotcrete y malla u otro elemento a ser
colocado en la superficie para prevenir el colapso de
la roca.
Instalacin insuficiente del nmero de anclajes para
obtener un factor de seguridad adecuado a las
condiciones del rea a estabilizar.
Instalacin y orientacin inadecuada con respecto a
la superficie a estabilizar.
Cambio del mecanismo de carga en el anclaje: Alteracin
del mecanismo de carga sobre el anclaje, debido al
movimiento de una estructura geolgica o a cambios en
el campo de esfuerzo. Esto genera una alta probabilidad
de falla del sistema de refuerzo, porque este fenmeno
no es evaluado objetivamente y oportunamente por parte
de la operacin minera.
Exper ticia del recurso humano de operacin: Bajo
conocimiento especifico sobre los objetivo de las labores
de control y calidad, en las operaciones orientadas a
mantener la estabilidad de las excavaciones subterrneas,
a nivel de todo el recurso humano involucrado en las
actividades de estabilizacin, sean supervisores y
operadores.
30
Alineamiento de los objetivos de la for tificacin:
Existencia de un desalineamiento entre los objetivos
que persigue el diseador de los sistemas y los
instaladores u operadores, lo que lleva a tener malos
resultados en la gestin global de la estabilidad de
las excavaciones.
Interaccin de factores crticos: La coexistencia de alguno
o varios de los factores enumerados anteriormente, que
pueden contribuir en diferente grado de importancia a
generar condiciones de inestabilidad sobre el macizo
rocoso en el tiempo, por ejemplo; la falta de monitoreo
y retroalimentacin de la existencia de eventos de riesgo
por parte de la operacin ya sea de eventos individuales
o colectivos a consecuencia de factores tales como:
presencia de agua, lajamiento y eventos ssmicos por
incremento del campo de esfuerzo, y daos en los sistemas
a consecuencia de las operaciones productivas, todos
estos factores crticos sumados, evidentemente generan
condiciones de riesgo y de colapsos de las excavaciones
subterrneas y de superficie.
2.3 CONTROL DEL DAO COMO CONSECUENCIA
DE LA CAIDA DE ROCA
Mecanizacin de la operacin de fortificacin
Los eventos de colapso de la roca si bien es cier to
normalmente se producen en frentes en desarrollo y en
cmaras de explotacin, tambin pueden presentarse en
reas previamente estabilizadas. Es por ello que la mayora
de las operaciones mineras estn tendiendo a convertir
la operacin manual de estabilizacin en una operacin
totalmente mecanizada, de manera de conseguir una
mayor productividad y, lo ms importante, evitar exponer
al trabajador a una rea que an no est estabilizada.
En operaciones mineras donde se ha llevado a mecanizar
las operaciones de estabilizacin, se ha reducido el
nmero de eventos en los frentes de operacin donde
normalmente se produca el mayor nmero de colapsos,
ahora se producen en otras reas de las operaciones
mineras y a consecuencia de otros fenmenos,
bsicamente relacionados con eventos de origen cintico
y deslizamientos de grandes cuas.
2.4 ACCIDENTABILIDAD
La falla del techo es la inestabilidad ms comn que
aparece en la mayora de las excavaciones de obras
civiles y minas subterrneas, ya sean stas de pequea
o gran escala y para distintas especies explotadas. Del
mismo modo, podemos afirmar, y as lo muestran las
estadsticas, que una gran par te de los accidentes
fatales son asociados a falla del techo.
La estadstica de seguridad minera del ao 2004
proporcionada por el Servicio Nacional de Geologa y
Minera, SERNAGEOMIN, muestra que la accidentabilidad
no ha variado mayormente en comparacin con los
aos anteriores, esto es, la accidentalidad se mantiene
en valores controlados; sin embargo, igual pueden
ocurrir hechos no esperados. As lo demuestra el grfico
2.1, donde la tendencia en general muestra un descenso
en los ndices.
En 1975 la frecuencia de los accidentes incapacitantes
fue de 37, mientras que en el ao 2004 fue de 7,5. Es
muy significativo que durante siete aos consecutivos
se registren valores de un solo dgito. Una especie de
Montaa Rusa se visualiza en el grfico. Se muestran
all distintos perodos anuales en los que, cada cierto
tiempo de descenso aparece una brusca subida. Esto
nos hace reflexionar que an se manifiestan accidentes
significativos, los que deben ser controlados para llegar
a la tasa ideal de "cero".
Captulo 2: Generalidades
31
Del grfico 2.2, se desprende que las empresas
contratistas han mantenido una tasa con poca variacin
en los ltimos 7 aos; sin embargo, en el ao 2004 las
empresas mandantes subieron a una tasa cercana a dos
dgitos. De todas formas, una consideracin importante
es el hecho que, mientras ms pequeas son las
empresas, ya sean stas mandantes o contratistas, la
tasa sube. Lo anterior lleva a meditar sobre la necesidad
de capacitar y controlar aquellas empresas ms pequeas
que se han incorporado a la industria, especialmente en
los aos 2005 y 2006, cuando se alcanzaron valores
histricos en el precio de los metales (sobre los 3,4
dlares la libra de Cu). As se han puesto en marcha
yacimientos de escalas menores y las empresas
mandantes, por lo general, son contratistas y
subcontratistas con menos de 12 personas.
Por otro lado, en general, estas empresas han aumentado
el registro de accidentabilidad en un 35% en dos aos,
con una alta tasa de frecuencia. La tendencia es
claramente conocida en el sentido que en el ltimo tiempo
las empresas contratistas han crecido exponencialmente
y que desde el ao 2000 prcticamente las horas hombres
de contratistas han superado a las horas hombres de
las empresas mandantes.
En cuanto a la tasa de fatalidad, sta se ha mantenido
en valores bajo 0,2 muertes por milln de horas hombres
trabajadas en los ltimos 4 aos. Dicha tasa es atingente
principalmente a la pequea minera y a la minera
artesanal.
En general, los accidentes por desprendimiento de
rocas, si bien han disminuido, comparado con dcadas
pasadas, sigue constituyendo una de las cuatro o cinco
categoras de las principales causales de los accidentes
ocurridos en la minera. Cabe destacar que esta
disminucin, por supuesto, se ha debido a la capacitacin
de los operarios y, en forma muy impor tante, a la
implementacin de elementos de soporte y reforzamiento
de las masas rocosas. De all la importancia de los
s istemas de refor zamiento en s i tuaciones
estructuralmente controlados y presencia de altos niveles
de esfuerzos.
Grfico 2.1
Tasa de Frecuencia de accidentes incapacitantes (Aos 1975 - 2004)
20
30
40
Tasa
Fre
cuen
cia
Aos
10
75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04
Fuente: SERNAGEOMIN
32
2.5 RELACIN MARCO - PERNO
Con certeza se puede decir que se han hecho grandes
esfuerzos para desarrollar mejores sistemas de soporte y
lograr mejor estabilidad. Uno de estos aportes lo constituye
el trabajo que se presenta y que tiene relacin con un
mejoramiento general del sistema de refuerzo usando, tuerca
y perno SAFEROCK, sistema diseado y fabricado por
Gerdau AZA, y su planchuela. Por largo tiempo los sistemas
de soporte fueron pasivos de piso a techo, tal como son los
marcos en madera y acero. (Ver figuras 2.5 y 2.6).
Estos sistemas requieren un gran volumen y peso de
material que es necesario muchas veces transpor tar
a grandes distancias, subiendo los costos involucrados
y, adems, necesitan una constante manutencin;
dependiendo de la condicin geomecnica del terreno,
5 6 pernos SAFEROCK pueden reemplazar
eficientemente un marco de acero o madera que,
segn se desprende desde la prctica e informaciones
obtenidas de terreno, estos ltimos no son muy
efectivos en el control de la estabilidad (Ver figuras
2.7a y 2.7b).
Grfico 2.2
Tasa de Frecuencia de accidentes incapacitantes. Empresas mandantes v/s Contratistas (Aos 1998 - 2004)
Figura 2.5: Marco de Madera (Thomas Imgrund 2002) Figura 2.6: Marco de Acero
8
10
12
Tasa
Fre
cuen
cia
Aos
6
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
4
2
MandantesContratistasTotal
11,5
7,8
9,5
9,3
6,6
8,0
8,0
6,5
7,3
8,6
8,6
8,6
7,9
9,1
8,6
8,0
7,5 7
,7
9,5
6,2
7,5
Fuente: SERNAGEOMIN
Captulo 2: Generalidades
33
2.6 HISTORIA DE SU APLICACIN EN MINERA
Histricamente, antes de 1900, los tpicos sistemas
de soporte de techo en minas fueron postes de madera
y vigas. Entonces, tempranamente hacia 1905, pernos
al techo fueron reportados en minas de carbn en los
Estados Unidos.
Ms tarde, en 1920, sistemas de reforzamiento ms
completos fueron aplicados, dando origen al principio
de "sopor te por suspensin de techo" y al principio
de sustento de "viga", ambos dieron la base a los
principales fundamentos modernos de reforzamiento
de rocas.
Esas fueron las primeras informaciones sobre el uso
de reforzamiento interno en la masa rocosa y fue
aplicado en una geologa estratiforme; de esta manera
el sopor te pas a ser activo. En aquel entonces, la
idea tal vez vino del simple hecho de que un perno
pudo atar la roca, tal como un perno y tuerca unen
dos piezas aisladas. Este hecho fue considerado como
una tecnologa revolucionaria en el control de terrenos
o super ficies expuestas en una excavacin.
En 1943, Weigel, en el Engineering and Mining Journal,
propuso los conceptos bsicos de apernado como un
mtodo sistemtico de soporte de techos dbiles. De
esta manera nacen las primeras aproximaciones
tericas de refuerzo interno de masas rocosas. Algunas
de estas ideas, tal como se dijo anteriormente acerca
del apernado del techo, son an los fundamentos de
modernas teoras y manuales de apernado de rocas.
Las varillas de madera se idearon para no daar la
maquinaria de cor te de carbn y las cintas
traspor tadoras; tambin se usaron en tiempos de
escasez de acero durante la guerra. Estas varillas sin
tensar slo sirvieron para refuerzo muy ligero.
Se colocaban varil las secas a los techos en
per foraciones ajustadas, de tal manera que sta se
expanda debido a la humedad de la roca. Este aumento
de volumen produca fuerzas radiales traducidas
finalmente a friccin, impidiendo que la roca resbalara
sobre la madera. En Australia se utilizaron para reducir
la dilucin y disminuir el dao a las cintas
transportadoras.
En Chile fueron usadas como refuerzo temporal en los
niveles de hundimiento, donde las galeras tienen corta
vida til, esto es, hasta iniciado el hundimiento mediante
Figura 2.7b: Equivalencia Pernos y MarcoFigura 2.7a: Pernos SAFEROCK
34
voladura de la base del bloque, desde donde se realizan
las per foraciones radiales. Se emplean muy poco en la
actualidad.
En 1945, el anclaje de expansin apareci en Inglaterra,
Holanda y USA, y en 1949 se hace popular el reemplazo
de marcos en forma muy rpida.
Con la intencin de reducir el nmero de accidentes
causados por falla del techo, el USBM (U.S. Bureau of
Mines) fue par tidario del uso de la tecnologa de
apernado del techo en 1947. Debido a su efectividad,
en ms de 200 minas en USA se emple este nuevo
mtodo de sopor te de techo en menos de dos aos.
En 1952 el consumo anual haba alcanzado 25 millones
de pernos.
En Canad el uso de pernos se inici en 1950. Entre
1952 y 1962 se comienzan a usar barras con resaltes
colocadas en barrenos con lechada de cemento. En 1960
aparecen las resinas como elemento de unin entre el
perno y la roca.
En 1968, 55 millones de pernos fueron usados anualmente
en USA por 912 minas de carbn y el 60% de la produccin
de carbn fue realizada en condiciones de soporte utilizando
techos apernados. En 1970, esta tecnologa alcanz un
alto nivel de desarrollo.
Estos antecedentes fueron siendo conocidos por la mayor
parte de las compaas mineras, lo que permiti que los
techos y paredes de las vas principales en las minas
fueran reforzadas con estos sistemas para proteger
personas y equipos ante fallas de estas super ficies
expuestas. Posteriormente, el apernado de techo fue
aceptado y ampliamente usado en la industria minera del
carbn, lo que se manifest en una reduccin considerable
en los accidentes y al mismo tiempo en un gran incremento
de la productividad.
En 1979, J.J. Scout, introdujo el sistema Splitset, y en
1980 Atlas Copco hizo lo propio con el sistema Swellex.
Estos dos productos utilizan el anclaje mediante la friccin
del elemento con el macizo rocoso alrededor de las
excavaciones.
Durante la dcada de los 80 el Conebolt para estallido
de rocas, fue introducido en las minas sudafricanas y su
aplicacin en otros continentes est an en desarrollo.
En 1984, el USBM estim que se haban utilizado cerca
de 120 millones de pernos y que ms del 90% de la
produccin de carbn haba sido realizada bajo techos
apernados (Bieniawski, 1987).
Atlas Copco, en 1997, introdujo el perno cedente EXL
Swellex. En el 2003 Atlas Copco junto a MAI presentan
el Swellex Pm Line y el sistema de instalacin mecanizada
SDA.
Sin embargo, se dice que un gran nmero de estos
sistemas de refuerzo puede no estar logrando las
expectativas de diseo esperada, debido principalmente
a los conceptos errneos que se manejan, producto de
la desinformacin y, por otro lado, a los problemas
asociados con las operaciones de instalacin, agudizado
todo esto por el poco control.
El apernado de techo (Ver figura 2.8) gan rpidamente
mucha popularidad debido, no solo al patrocinio del
USBM, sino tambin, principalmente, a su control efectivo
del terreno y a la reduccin de costos. Veamos algunas
ventajas del apernado sobre otros sistemas tradicionales.
Reduccin de los requerimientos de almacenaje y
transporte.
Reduccin de las aberturas que es necesario lograr
para un claro dado.
Prevencin de deformaciones del techo mediante una
instalacin rpida despus de la excavacin.
Captulo 2: Generalidades
35
Mejoramiento de la ventilacin y prdida de la
resistencia en la va del aire por eliminacin de
obstrucciones, tales como marcos, postes y vigas.
Entregar mas libertad para vehculos sin riesgo de
daar el soporte.
Entregar soporte natural para colgar caeras, tubos
y cables elctricos.
Hoy, el apernado de rocas no solo es ampliamente usado
en minas subterrneas de carbn, sino tambin, se
encuentran aplicaciones en minera de superficie, minera
en roca dura, tneles, ingeniera civil, y en la mayor parte
donde se requiere estabilidad del terreno.
En Chile su uso es bastante difundido, donde se han
realizado esfuerzos por mejorar estos sistemas y a la
vez, proporcionar apoyo tcnico en terreno y adems
mediante difusin escrita.
En minera los laboreos permanentes tales como
chimeneas, subestaciones de carguo, transporte, rampas,
subestacin de chancado, subestaciones de manutencin
de equipos, subestaciones elctricas, requieren de un
sistema de estabilizacin segura durante la vida til de
la mina. Lo mismo ocurre en excavaciones de obras
civiles que utiliza una alta densidad de sistema de
estabilizacin. La diferencia entre ambos es que las
aberturas mineras tienden a tener grandes deformaciones
como resultado de los esfuerzos inducidos debido al
progreso del minado.
Por lo general, estos diseos tienden a ser bastante
conservadores con la finalidad de disminuir al mnimo la
manutencin y rehabilitacin, la que puede ser muy
dificultosa y de altos costos. Los sistemas de monitoreo
en estos casos pasan a ser una herramienta muy til,
con la finalidad de controlar el comportamiento de los
sistemas que permitan realizar los cambios en el momento
oportuno.
Durante los primeros aos de la explotacin de una
mina, las cmaras suelen ser pequeas y aisladas, por
lo que es posible mantener la seguridad y minimizar la
dilucin con un modesto sistema de estabilizacin. Es
muy importante por otro lado, el anlisis de cambios
en el campo de esfuerzos, siendo ideal instalar los
sistemas de estabilizacin previo a que aparezcan las
inestabilidades de la roca durante la etapa ms avanzada
del minado.
Un ejemplo claro de esto es la pre-instalacin de sistemas
de estabilizacin en puntos de extraccin, donde estos
son desarrollados o preparados, antes que la cmara
localizada sobre ellos, sea explotada. (Ver figura 2.9).
Los puntos de extraccin estn por lo general en masas
de roca estable, donde no se requiere sistema de
estabilizacin.
Sin embargo, cuando las cmaras o bloques son
explotados y los puntos de extraccin estn en la
operacin, el cambio de esfuerzos, debido a la creacin
de una nueva excavacin y las fuerzas dinmicas producto
del movimiento de mena fragmentada, puede resultar en
un alto nivel de sobre-tensionado de la roca alrededor
de estos puntos de extraccin.
Figura 2.8: Galera slo con pernos
36
Cuando estos cambios son advertidos con anticipacin
y la roca ha sido reforzada suficientemente, la estabilidad
de los puntos de extraccin puede mantenerse durante
la vida til de la cmara o bloque.
Cuando la mina subterrnea alcanza un nivel alto de
explotacin y la cantidad de material removido ha sido
desplazado hacia los puntos de extraccin y adems se
han recuperado pilares en las reas mas avanzadas, los
problemas en los sistemas de estabilizacin alcanzan
niveles muy severos y complejos. Entonces aqu el ingeniero
debe recurrir a su experiencia ganada en las primeras
etapas de explotacin para lograr que se contine dando
seguridad en los accesos y manteniendo los niveles de
dilucin en valores econmicamente aceptables.
Dependiendo de la naturaleza y escala de los problemas,
stos pueden mantenerse en el mismo nivel que en las
etapas iniciales de explotacin o, en otros casos, se
aplican diseos innovativos. En esta etapa se puede
justificar tcnica y econmicamente el uso de sistemas
ms sofisticados. Del mismo modo, en esta etapa de
minado, el departamento de ingeniera debe contar con
una base de datos geotcnicos. stos pueden incluir los
resultados de las observaciones y medidas de las
deformaciones que han ocurrido en la excavacin, la
magnitud de la falla del macizo rocoso y el rendimiento
de los sistemas de estabilizacin.
Las diversas maneras de mejoramiento de la masa
rocosa, tales como inyecciones qumicas o de cemento,
congelamiento del terreno, y otras, tienen por finalidad
incrementar la resistencia o disminuir las caractersticas
de deformacin de una masa de roca.
En el caso particular de refuerzo de rocas el objetivo es
mejorar la resistencia a la tensin y al corte de las masas
rocosas adyacentes a la superficie de las excavaciones.
Figura 2.9: Punto de extraccin
Captulo 3
La Ingeniera de Excavaciones
3.1 Ingeniera de Rocas
3.2 Propuesta para la Ingeniera de Excavaciones
3.3 Mtodo de Anlisis de Riesgo
3.1 INGENIERIA DE ROCAS
La Mecnica de Rocas o Geomecnica es un trmino a
menudo usado para incluir todas las etapas que llevan
a definir y controlar el comportamiento de la roca alrededor
de una excavacin. Desde las definiciones geolgicas y
mecnicas, a travs de la caracterizacin de macizos
rocosos, al diseo de reforzamiento y clculo de factores
de seguridad, la mecnica de rocas entrega las bases
para la valoracin de la estabilidad de una excavacin
(cuantificacin de las necesidades de reforzamiento).
En el contexto de definiciones, es mejor hablar de ingeniera
de rocas como los componentes de ingeniera geolgica,
Captulo 3: La Ingeniera de Excavaciones
39
civil, mecnica y minera, que se combinan entre s para
crear el proceso del diagrama 3.1.
Este proceso global puede ser muy detallado o igualmente
bsico, dependiendo de la magnitud de la operacin
minera y de los recursos disponibles. En lo fundamental
debe incluir: definicin estructural del macizo rocoso
incluyendo aspectos tales como, discontinuidades, fallas,
zonas de cizalla, evaluacin de los parmetros
fisicomecnicos de la roca intacta y estructuras;
identificacin y cuantificacin de los modos de fallas
basado en anlisis estructural y de esfuerzos; el modo
de influencia de la excavacin y el diseo del reforzamiento
de rocas.
Diagrama 3.1: Procedimiento analtico del diseo de reforzamiento.
Caracterizacin de las Masas rocosas
Estabilidad controlada por:
Esfuerzos Meteorizacin Flujos de Agua
Tipos de inestabilidad
Formacin de bloque y/o cuas
Anlisis de resistencia al corte
de las discontinuidades
Prevenir fallas por gravedad o
deslizamiento de bloques o cuas
Ambiente de altos esfuerzos in-situ e
inducidos que superan la resistencia
de la roca
Anlisis de esfuerzos en zonas fracturadas Comparar esfuerzos
medidos con el criterio de fractura
Prevenir fallas por gravedad y reforzar zonas de potencial
falla
Meteorizacin provoca expansiones y
contracciones de la roca
Realizar ensayos de durabilidad y
expansin a testigos de roca
Secuencia de excavacin para
retardar al mnimo el tiempo entre
excavacin y proteccin
Excesiva presin y flujos de agua en
poros y discontinuidades
Instalar piezmetros para determinar
presin de agua y su distribucin
Drenar y/o inyectar mezclas para controlar presiones y flujos de
aguas
Estudios y acciones recomendadas
Objetivo del diseo
Influencias de eventos dinmicos
Diseo de reforzamiento
Geologa Estructural
40
Se puede decir que los dos factores ms importantes que
afectan la estabilidad de cualquier excavacin, son los
esfuerzos y las estructuras de la roca. La combinacin de
varios regmenes de esfuerzos y fragmentacin podr
dictar el comportamiento de la excavacin, como se ver
en el procedimiento de diseo. La intensidad de los
esfuerzos puede variar de muy baja, a muy alta y la
intensidad de fragmentacin desde la roca masiva a
estructuras como cubos de azcar o intensamente
diaclasado. La roca masiva presenta alta resistencia, pero
tambin acumula carga y puede fallar violentamente. La
roca muy fracturada tiende a deformarse bajo esfuerzos
y de forma muy compleja.
Obviamente, la forma y tamao de la excavacin tambin
afectan la respuesta de la excavacin.
Lo anteriormente expuesto ser analizado con ms detalle
en el procedimiento de diseo.
3.1.1 Excavacin Optimizada
La Mecnica de Rocas es una ciencia relativamente nueva,
es inseparable al comportamiento mecnico del material
de roca y se usa en la actualidad para optimizar el
rendimiento de las excavaciones mineras en roca.
La utilizacin de la mecnica de rocas ayuda a entender
de mejor manera el comportamiento de macizos rocosos,
siendo esperable una ms efectiva y segura operacin.
Los anlisis de esfuerzos son realizados en el sitio y los
resultados son ms fciles de evaluar gracias a poderosas
herramientas computacionales. Es muy importante repetir
el proceso de diseo en etapas posteriores de minado.
Por ejemplo, cuando una roca masiva dura falla, produce
pequeos fragmentos y, a menudo, es seal de que la
roca est sobreestresada y se est rompiendo de una
manera frgil incontrolable. Esto podra ser precursor de
un evento ssmico y falla dinmica que la mayora de los
refuerzos de rocas son incapaces de controlar.
De la informacin que se maneja, debido a la gran variedad
de elementos de soporte existente en el mercado, parece
ser improbable que los materiales del sistema de refuerzo
fallen debido a la calidad, sino ms bien, la falla se
produce por mala aplicacin o instalacin.
Hoek (1996) presenta un resumen de distintos tipos de
problemas de inestabilidad, los parmetros crticos que
los gobiernan, mtodos de anlisis y criterio de
aceptabilidad tanto para tneles de obras civiles como
excavaciones mineras, taludes y fundaciones. Las tablas
3.1a y 3.1b presenta los dos primeros, que son de inters
para este texto.
Captulo 3: La Ingeniera de Excavaciones
41
Tabla 3.1a
Problemas tpicos y parmetros crticos en excavaciones de Ingeniera Civil (Hoek 1996, modificado)
Estructura Problemas Tpicos Parmetros Crticos
Tneles en rocas blandas Resistencia del macizo y de las
caractersticas estructurales individuales.
Potencial expansin, particularmente
rocas sedimentarias.
Secuencia y mtodos de excavacin
Capacidad y secuencia de instalacin de
sistemas de soporte.
Falla de roca cuando la resistencia es
excedida por los esfuerzos inducidos.
Tneles superficiales en
rocas fracturadas
Orientacin, inclinacin y resistencia al
corte de las discontinuidades en el
macizo rocoso.
Forma y orientacin de la excavacin.
Calidad de perforacin y voladura durante
la excavacin.
Capacidad y secuencia de instalacin del
sistema de soporte.
La gravedad provoca falla en cada libre
o deslizamiento de cuas o bloques
definidos por la interseccin de
discontinuidades. Derrumbe de material
soportado inadecuadamente.
Grandes cavernas en roca
fracturada
Forma y orientacin de la caverna en
relacin a la orientacin, inclinacin y
resistencia al corte de las estructuras
en el macizo rocoso.
Esfuerzos in-situ en el macizo rocoso.
Excavacin y secuencia de soporte y
calidad de la perforacin y voladura.
La gravedad provoca falla o deslizamiento
de cuas o fallas de corte o tensin en
el macizo rocoso, dependiendo del
espaciamiento y caracterstica estructural
y magnitud de los esfuerzos in-situ.
42
Cmaras en corte y relleno Orientacin, inclinacin y resistencia al
corte de estructuras en la masa rocosa.
Esfuerzos in-situ en la masa rocosa.
Forma y orientacin de la cmara.
Calidad, ubicacin y drenaje del relleno.
Fallas de cuas y bloques estructurales
desde el techo y pared pendiente.
Fallas por esfuerzos inducidos y estallido
de rocas en ambientes de altos esfuerzos.
Accesos de cmaras Calidad y resistencia de la roca.
Esfuerzo in-situ e inducidos en la roca
alrededor de la excavacin.
Calidad de perforacin y voladura en la
excavacin.
Dilucin del mineral debido a fallas del
techo y paredes. Estallido de rocas o falla
progresiva inducida por altos esfuerzos
de los pilares entre cmaras.
Puntos de extraccin y piques
de traspaso
Calidad y resistencia de la roca.
Esfuerzos in-situ e inducidos por la
construccin de la excavacin y cambios
de esfuerzos debido a la explotacin.
Seleccin y secuencia de instalacin del
soporte.
Fallas locales del macizo rocoso debido
a la abrasin y desgaste de los sistemas
dbiles de soporte en piques y puntos
de extraccin. En casos extremos esto
puede llevar a perder las cmaras o
piques.
Tabla 3.1a (conclusin)
Problemas tpicos y parmetros crticos en excavaciones de Ingeniera Civil (Hoek 1996, modificado)
Estructura Problemas Tpicos Parmetros Crticos
Captulo 3: La Ingeniera de Excavaciones
43
Tneles en rocas blandas La capacidad de soporte instalado,
debera ser suficiente para estabilizar el
macizo rocoso y limitar la deformacin
en un nivel aceptable. Mquinas de
tunelera y estructuras internas deben
ser diseados para una deformacin del
tnel debido a expansin o deformacin
dependiente del tiempo. Monitoreo de
deformacin es un aspecto importante
de control de la construccin.
Anlisis de esfuerzos usando mtodos
numricos para determinar la extensin
de la zona de falla y posibles
desplazamientos en la masa rocosa.
Anlisis de interaccin usando mtodos
numricos para determinar la capacidad
y secuencia de instalacin del soporte
y estimar desplazamiento en el macizo
rocoso.
Tneles superficiales en rocas
fracturada
Factor de seguridad incluyendo los efectos
del reforzamiento, debe exceder 1.5 para
deslizamientos y 2.0 para cada de cuas
y bloques.
Secuencia de instalacin de soporte es
crtico.
Cuas y bloques deben ser identificados
y soportados antes que ellos sean
expuestos totalmente por la excavacin.
Tcnicas de proyeccin estereogrfica o
mtodos analticos son usadas para la
determinacin y visualizacin de todas
las cuas potenciales en el macizo rocoso
alrededor del tnel.
Anlisis de equilibrio lmite de cuas
crticas son usadas para estudios
paramtricos sobre el modo de falla,
factor de seguridad y requerimientos de
soporte.
Grandes cavernas en roca
fracturada
Un diseo aceptable es logrado cuando
el modelo numrico indica que la
extensin de la falla ha sido controlada
por el soporte instalado, que el soporte
no es sobre-estresado y que los
desplazamientos en la masa rocosa se
han estabilizado.
El monitoreo de desplazamientos es
esencial para confirmar la prediccin del
diseo.
Tcnicas de proyeccin esfrica o
mtodos analticos son usados para la
determinacin y visualizacin de todas
las cuas potenciales en el macizo
rocoso.
Esfuerzos y desplazamientos inducidos
por cada etapa de la excavacin de la
caverna son determinados por anlisis
numrico y son usados para estimar los
requerimientos de soporte para las
paredes y techo de la caverna.
Tabla 3.1b
Mtodos de anlisis y criterios de aceptabilidad para excavaciones de Ingeniera Civil. (Hoek 1996, modificado)
Estructura Mtodos de Anlisis Criterios de Aceptacin
44
Cmaras en corte y relleno La inestabilidad local debe ser controlada
por la instalacin de pernos o cables
cementados para proporcionar seguridad
y minimizar dilucin.
La inestabilidad es controlada por la
geometra y secuencia de excavacin de
las cmaras, la calidad y secuencia de
relleno.
Condiciones aceptables de minado son
alcanzadas cuando la mena es
recuperada en forma segura.
Anlisis numrico de esfuerzos y
desplazamientos para cada etapa de la
excavacin dar una indicacin de los
problemas potenciales.
Modelos numricos mas sofisticados
permitir incluir el soporte suministrado
por el relleno o el reforzamiento de roca
por medio de cables o pernos
cementados.
Accesos de cmaras Un diseo de este tipo puede ser
considerado aceptable cuando la seguridad
y los bajos costos de recuperacin de una
gran parte o porcentaje del yacimiento ha
sido alcanzado.
Fallas en piques y galeras de transporte
con factor de seguridad inaceptable
requieren de patrones de soporte. En
condiciones de alto esfuerzos,
destrezamiento locales pueden ser usados
para reducir los estallidos de rocas.
Algunas reglas empricas, basadas en
la clasificacin de masas rocosas, son
disponibles para estimar las
dimensiones de la cmara.
Anlisis numrico del trazado de la
cmara y secuencia de minado, usando
anlisis tridimensional para yacimientos
de formas complejas, entregar
indicaciones de problemas potenciales
y estimacin de los requerimientos de
soporte.
Puntos de extraccin y piques
de traspaso
La forma de las aberturas deben ser
mantenidas durante su vida til. Prdidas
de control pueden resultar en una dilucin
seria del mineral y abandono de la
excavacin. Sistemas resistentes tal
como pernos o cables cementados,
pueden ser instalados durante la
excavacin de la cmara. En estos casos,
un sistema de control de inestabilidad
puede ser muy til.
Equilibrio lmites anlisis numrico no
son particularmente tiles si los
procesos de desgaste y abrasin no son
incluidos en estos modelos.
Diseos empricos basados en
experiencias anteriores o mtodos de
prueba y error pueden ser usados.
3.2 PROPUESTA PARA LA INGENIERIA DE
EXCAVACIONES
3.2.1 Conceptualizacin
En la minera, donde las circunstancias laborales lo
impiden, las excavaciones son desarrolladas con
herramientas diferentes para cada etapa del proceso.
Un interesante trabajo se ha realizado en el Australian
Mineral Industries Research Association (AMIRA) y que
se recomienda desarrollar basado en parmetros propios.
En los siguientes prrafos, se presenta un resumen de
esta filosofa, que est basada en el paper "Excavation
Engineering - The Integration of Excavation Design" (C.R.
Windsor, A.G. Thompson and G.P Chitombo).
La ingeniera de excavacin envuelve tres procesos de
diseo: diseo de excavacin, diseo de voladura y diseo
de reforzamiento. La ingeniera de excavacin pretende
la integracin y simulacin de estos tres procesos de
diseo.
Los autores de la publicacin consideran que el diseo
de minas, canteras o excavaciones civiles requieren la
interaccin de los diferentes diseos. Los elementos
dominantes para la minera son la geometra del
yacimiento, las leyes y esquemas de extraccin. El trazado
geomtrico, la seguridad y el propsito, son los elementos
dominantes para las excavaciones de ingeniera civil. Es
sabido que los efectos del diseo de excavacin estn
asociados a las estrategias de voladuras y requerimientos
de soporte y refuerzo artificial. Un ptimo diseo pretende
maximizar la extraccin y la eficiencia en voladura y
minimizar la dilucin, sobrequiebre y requerimientos de
refuerzo o soporte.
En realidad, los procesos de diseo son complicados,
por lo que son llevados generalmente en forma separada
Captulo 3: La Ingeniera de Excavaciones
45
y, algunas veces, sin consideracin de efectos sobre los
otros. Sin embargo, una simple metodologa de diseo
puede ser desarrollada para integrar los procesos de
diseo y sus interacciones, de manera tal que pueda ser
posible realizar pequeos ajustes en el diseo para el
rendimiento de la voladura, reducir la inestabilidad de la
excavacin y, consecuentemente, decrecer los
requerimientos de refuerzo. Una metodologa para
enfrentar este problema requiere de una descripcin
uniforme, clculo y presentacin de herramientas para
el uso de las diferentes disciplinas que intervienen en
el diseo.
En concordancia con los autores de la publicacin, el
problema de ingeniera en excavaciones mineras puede
ser dividido en tres procesos de diseo principales:
1. Diseo de Excavacin
2. Diseo de Voladura
3. Diseo de Refuerzo
En la industria minera estas tareas a menudo son
atendidas por personal diferente con un exper ticia
especfica, quienes conducen su trabajo usando datos
de entrada particular y clculos de ingeniera, presentando
sus resultados tambin en forma particular.
En forma muy clara, ellos asocian este problema de
ingeniera de excavaciones a los trminos de teora
de conjunto. La ingeniera de excavacin puede ser
aproximadamente descrita como la "unin" de los
diseos de excavacin, de voladura y de refuerzo.
S imi larmente, e l vo lumen de interacc in y
colaboracin entre estos procesos puede ser
proporcionado por la "interseccin" de los tres
conjuntos. Para los tres procesos de diseo, su unin
(U = DE < DR) y su interseccin (I = DE > DV > DR)
se muestran esquemticamente en el diagrama de
Venn. (Ver figura 3.1).
46
La razn de la interseccin (I) y la unin (U) indican que
las dos condiciones extremas de interaccin son posibles.
Primeramente, el caso cuando una persona (o un grupo)
es responsable de diseos simultneos de los tres
aspectos de la excavacin, aqu I/U=1. Luego, el caso
donde tres personas (o tres grupos) son responsables
cada cual en el aspecto particular de diseo, pero sin
interaccin y colaboracin; aqu los tres conjuntos son
disjuntos e I/U=0. Investigaciones han identificado formas
para desarrollar la metodologa de ingeniera de excavacin
que puede simplificar y mejorar la interaccin entre los
tres procesos de diseo. Esta metodologa requiere la
investigacin y desarrollo de dos conceptos:
1. Un sistema universal de clasificacin de rocas.
2. Un sistema universal de visualizacin de datos.
Un sistema universal de clasificacin de rocas permitir
una descripcin estndar del macizo de roca para usar
durante los diseos de la excavacin, de voladura y de
refuerzo. Un sistema universal de visualizacin de datos
permitir tener los antecedentes de entrada y salida de
cada proceso y ser vistos simultneamente.
3.2.2 Sistema Universal de Clasificacin de Rocas
de Masas Rocosas
La literatura de mecnica de rocas muestra numerosos
sistemas de clasificacin que han sido propuestos en
ingeniera de rocas. Algunos de los ms conocidos son:
RQD Rock Quality Designation (Deere, 1964)
Q Rock Mass Quality (Bar ton, Lien and Lunde,
1974)
RSR Rock Structure Rating (Wickham, Tiedeman and
Skimer, 1974)
RMR Rock Mass Rating (Bieniawski, 1974)
MRMR Rock Mass Rating Modificado (Laubscher, 1977)
R Rock Mass Rating Simplificado (Brook and
Dharmaratne, 1985)
GSI Geological Strength Index (Hoek, 1994)
RMi Rock Mass Index (Palmstrom, 1995)
Cada uno de ellos han realizado mejoras, dando origen
a distintas versiones.
El anlisis de los sistemas de clasificacin en el contexto
de la ingeniera de excavacin sugiere que estos han
sido desarrollados para el diseo de excavaciones
subterrneas y su soporte o refuerzo; pero muy pocos
han sido desarrollados para otros aspectos de la ingeniera
de la excavacin (estabilidad de taludes, diseo de
voladuras, etc.). Una caracterstica comn de estos
sistemas de clasificacin es que muestran como resultado
una "cualidad" o "Rating" para masas de rocas que estn
en funcin de uno o ms parmetros que describen las
caractersticas de la misma.
Una forma correcta sugiere que un macizo rocoso podra
estar completamente descrito en un conjunto finito de
parmetros o un conjunto universal de parmetros, que
pueden ser rateados entre 0 a 100.
Figura 3.1: Diagrama de Venn para la ingeniera de excavaciones.
DE
DV DR
= Unin (
Captulo 3: La Ingeniera de Excavaciones
47
Este rating puede ser llamado ndice de Ingeniera de
Rocas (Rock Ingineering Index). El conjunto de parmetros
universales y el ndice de ingeniera de rocas podran
formar los componentes principales de un sistema de
clasificacin de masa rocosa universal.
Los parmetros relevantes en cada aspecto del diseo
de ingeniera de excavacin forman subconjuntos del
conjunto de parmetros universales, tal como lo muestra
el diagrama de Venn en la figura 3.2.
Las diferentes interacciones de estos subconjuntos de
parmetros indican cules de ellos son de uso comn
y requieren una descripcin estandarizada (regiones I, II,
III, IV). Similarmente, algunos parmetros son slo
requeridos para aspectos especficos de la ingeniera de
excavacin (regiones V, VI, VII). Adems una subdivisin
del subconjunto de parmetros puede estar hecha en
base al ndice de ingeniera de rocas. Por ejemplo, la
figura 3.3 muestra como el conjunto de parmetros de
diseo de voladura, contiene parmetros usados en un
ndice de fragmentacin y un ndice de capacidad de
sobrequiebre de masa rocosa. Parmetros comunes a
ambos ndices son contenidos en su interseccin. La
existencia de una interseccin indica que la fragmentacin
puede afectar el sobrequiebre y destaca aquellos
parmetros que influyen en cualquier interaccin.
3.2.3 Anlisis de Bloques
Los planteamientos expuestos anteriormente
demandan una cons ide rab le i nve rs in en
investigacin, trabajo que ha sido llevado a efecto
por los autores de la publicacin, cuyo proyecto fue
denominado Blasting and Reinforcement Technology
(BART). En este proyecto los conceptos de Sistema
Universal de Clasificacin de Macizo Rocoso y la
interaccin del diseo de excavacin, diseo de
voladura y diseo de refuerzo, fue estudiada en el
contexto de la minera. En este trabajo los datos
son registrados empleando isopletogramas, los que
permiten una visualizacin vectorial de los datos.
Esta herramienta consiste en un diagrama que
presenta las isolineas (o contornos de la misma
magnitud) de una relacin funcional que es variable
direccionalmente.
Figura 3.2: Diagrama de Venn para conjunto de parmetros.
Figura 3.3: Diagrama de Venn para voladura.
CDE
CDV CDR
CDE = Conjunto de parmetros para diseo de la excavacinCDR = Conjunto de parmetros para el diseo de reforzamientoCDV = Conjunto de parmetros para el diseo de la voladura
V
II IIII
IVVI VII
CNF = Conjunto de parmetros para fragmentacin requeridaCCS = Conjunto de parmetros para capacidad sobrequiebreCDV = Conjunto de parmetros para el diseo de la voladura
CDV
CNF
CCS
48
Para este caso, el parmetro elegido es la forma de
los bloques in-situ. El tema es tratado mediante la
teora de bloques, que no ser analizada en este
texto. En un sistema vectorial de coordenadas
esfricas puede ser representado completamente
usando la rotacin en los planos ver ticales y
horizontales para indicar la orientacin (representando
buzamiento y direccin de buzamiento) y una distancia
radial indica la magnitud.
El trabajo, del mismo modo, presenta las tcnicas de
anlisis de bloque, donde el macizo rocoso alrededor
de la excavacin puede, usualmente, ser definido
como masivo, estratificado o fracturado. En un macizo
rocoso fracturado o estratificado la interseccin entre
las discontinuidades crea un ensamble total o parcial
de bloques de rocas (Ver figura 3.4).
El arreglo geomtrico de los bloques afectan varios aspectos
de la ingeniera de excavaciones.
En lo que a voladura se refiere, el grado de formacin
de los bloques, su forma y distribucin de tamaos,
incluidos los bloques pequeos contenidos en los
mayores, tendr efecto sobre la fragmentacin, dao
y sobrequiebre del macizo rocoso remanente. Sin
embargo, la discusin para aspectos de diseo de la
excavacin y reforzamiento, los bloques impor tantes
son los formados en el macizo remanente de la nueva
super ficie creada; en cambio, para voladura, los
bloques internos son impor tantes.
Cuando se cor ta una super ficie del macizo rocoso,
se crea un nuevo ar reglo de bloques. Dao,
inestabilidad, sobrequiebre y dilucin pueden ocurrir
por la tendencia al movimiento de bloques individuales
o un grupo de ellos. La inestabilidad de bloques es
comn alrededor de la super ficie de la excavacin.
En este tipo de problemas, como se indic anteriormente,
la aproximacin de la "Teora de Bloques" es una
herramienta apropiada a emplear (Warburton (1981),
Priest (1985) y Goodman y Gen-hua Shi (1985).
Windsor (1992) ha realizado apor tes al tema y
adicionalmente propone un programa para anlisis
de tamao de bloques. El proceso de anlisis es
mostrado en el diagrama 3.2 y en la representacin
grfica de tipos de bloques en la figura 3.5.
Resumiendo, la metodologa para el diseo de
ingeniera de excavaciones expuesta en la publicacin
involucra tres procesos: diseo de excavacin, diseo
de voladura y diseo de refuerzo. Dos componentes
son los ms impor tantes, que deben ser definidos y
estudiados: un sistema de clasificacin de masas de
roca universal y una base universal de visualizacin
de datos.
MASIVO FRACTURADO
Figura 3.4: Comportamiento de macizo rocoso masivo y fracturado.
Captulo 3: La Ingeniera de Excavaciones
49
Diagrama 3.2: Procedimiento para anlisis de bloques.
Figura 3.5: Tipos de bloques segn su estabilidad (Modificado de C.R. Windsor & A.G. Thompson).
Suma de todos los bloques internos y externos de todas las formas y tamaos
Finito Infinito
Separable No Separable
Inestable Estable
Bajo tamao Sobre tamao
Demanda de reforzamiento para lograr la estabilidad
Sin demanda para voladura o reforzamiento
Demanda de voladura para lograr fragmentacin
Anl
isis
de
tam
ao
de
bloq
ues
Anl
isis
de
esta
bilid
ad d
e bl
oque
s
Anl
isis
de
form
a de
blo
ques
a = bloque infinitob = bloque finito, no separablec = bloque finito, separable, no deslizanted = bloque finito, separable, posible deslizantee = bloque finito falla cada libre
a
ae
c
d
a b c
a
d
be
c
c
b
d
50
3.3 METODO DE ANALISIS DE RIESGO
3.3.1 Introduccin
La minera subter rnea y de super ficie, por
aproximadamente dos dcadas ha utilizado sistemas de
rating para el anlisis de estabilidad de macizos rocosos.
Los sistemas m
