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1
PERUMIN 31 CONVENCIÓN MINERA
ENCUENTRO TECNOLOGÍA E INFORMACIÓN
TEMA
“APLICACIÓN DEL MÉTODO DE DEFORMACIÓN CONTROLADA
EN LA EJECUCIÓN DE LABORES DE AVANCE EN CMHSA”.
“APPLICATION OF THE METHOD OF CONTROLLED
DEFORMATION PERFORMANCE OF WORK IN PROGRESS IN
CMHSA”
BLOQUE: OPERACIÓN DE MINAS
ING. HANRY GUILLÉN VILCA
ASISTENTE SUPERINTENDENTE DE GEOMECÁNICA
2
APLICACIÓN DEL MÉTODO DE DEFORMACIÓN CONTROLADA EN LA EJECUCIÓN DE
LABORES DE AVANCE EN CMHSA.
“APPLICATION OF THE METHOD OF CONTROLLED DEFORMATION PERFORMANCE OF
WORK IN PROGRESS IN CMHSA”
AUTOR
ING. HANRY GUILLÉN VILCA
ASISTENTE SUPERINTENDENTE DE GEOMECÁNICA
[email protected] [email protected]
RESUMEN
Cuando se ejecuta una obra subterránea, uno se encuentra, enfrentándose y teniendo que analizar, interpretar y resolver cual es la mejor “canalización” de las tensiones generadas alrededor de la excavación subterránea, lo que al final determina la integridad y la vida útil de la excavación. Dicho propósito se produce dependiendo de la determinación de las tensiones en juego y de las propiedades resistentes y de deformación del terreno, para lo cual resulta imprescindible conocer: a) El medio en el que van a tener lugar las operaciones; b) La acción ejercida para efectuar la excavación y c) La reacción esperada tras la excavación.
Se deduce, por tanto, que la formación de un efecto arco y su posición respecto a la cavidad (de la que sabemos depende la estabilidad de la excavación a corto y largo plazo) está determinada por la calidad y la magnitud de la respuesta de la deformación (cambio de estado de tensiones) del medio a la acción de la excavación (respuesta).
En CMHSA en el ejercicio Octubre 2011 a Mayo 2012, se realizaron estudios de: a) Ductibilidad-Tenacidad, b) Convergencia – Deformación, a fin de entender las propiedades post fisuración del shotcrete y sus efectos en el sostenimiento de una excavación subterránea, lo que resultó una deformación=8.34*10
-3 mts, para agrietamientos
menores a 33 mm.
Ello posibilitó que a la fecha en CMHSA no se esté utilizando la malla electrosoldada habiéndose incremento los niveles de seguridad (FS=1.58) y mejorado el ritmo de avance hasta un 42%.
ABSTRACT
When running an underground works, one finds, face and having to analyze, interpret and solve what is the best "channeling" of heightened tensions around the underground excavation, which ultimately determines the integrity and life excavation. That purpose is produced depending on the determination of the stresses involved and resistant properties and ground deformation, which is essential to know: a) The environment in which they will take place operations; b) The action exerted to effect excavation c) The expected reaction after excavation. It follows therefore that the effect formation of an arc and its position relative to the cavity (which depends know excavation stability short and long term) is determined by the quality and magnitude of the response of the deformation (change of state of stress) of the medium to the action of the excavation (response). In CMHSA exercise in October 2011 to May 2012, studies were conducted: a) Ductility, Toughness, b) Convergence - Deformation, akin to understand the properties of shotcrete post cracking and its effects on the sustainability of an underground excavation, which resulting deformation = 8.34 * 10-3 m, for cracks less than 33 mm. This made it possible to date CMHSA
1 not being
used the wire mesh having increased levels of safety
(FS = 1.58) and improved the growth rate to 42%.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1 CMHSA = Consorcio Minero Horizonte S.A
3
En el seguimiento y evaluación a la ejecución de nuestras labores de AVANCE (SET-11 a OCTUBRE-12), se determinó que el ritmo de avance promedio respondía a desviaciones atribuibles al:
1) Proceso de minado: El 74% de la criticidad de los avances se deben a debilidades en las operaciones unitarias de: Sostenimiento, Perforación y Voladura, los mismos que están acompañados de altos niveles de RIESGOS (aplastamiento en el proceso de instalación de malla electrosoldada, sobre excavación y sobre rotura de los frentes), debilidades que se aprecian en el GRÁFICO N° 01 y 03.
El GRÁFICO N° 02, muestra que el nivel de criticidad de las labores de desarrollo es atribuible al ciclo de sostenimiento de los frentes de avance con el mayor índice (42%) los que se atribuían a: 1) Niveles bajos
de Energía de Absorción del SHFR2
Joules; 2) Proceso lento de instalación de la malla
; 3) Baja Resistencia a la Compresión
Temprana3 del SHFR 4) Sub
dimensionamiento del espesor del shotcretenie y 5) Presencia de agrietamientos o “Craquelamiento”
4
del SHFR debido al sostenimiento inoportuno de las labores (sin tener en cuenta el tiempo de autosoporte) y comportamientos impropios de Post Fisuración del SHFR atribuible a la escasa de densidad de las fibras, etc).
Al ser una mina que migró del minado convencional al mecanizado, el segundo ciclo crítico constituyó la perforación y sostenimiento con “Jumbos o bolters” (21%), imputable entre otros al bajo nivel de desempeño de competencias de los operadores de jumbo
2 Propiedades de Ductilidad y Tenacidad del SHFR (Shotcrete
Fibro Reforzado) 3 Pruebas tomadas a 1.5 horas posteriores al proceso de lanzado
del SFR, cuya restricción fundamental era el ingreso de personal o equipo al frente de trabajo hasta por 3.50 horas posteriores del lanzado. 4 Fisuración progresiva del SHFR a diversas solicitaciones de
carga (flexión, corte y torsión)
El número de INCIDENTES generados en el proceso de sostenimiento de labores de avance, determinan que el 38% y 33% que en suma totalizan el 71% de los casos, responden a PERMITIR que el personal efectúe trabajos de instalación de malla electrosoldada dentro de la LÍNEA DE FUEGO de la zona inestable, conforme se describe en la TABLA N° 01:
2) Desaprovechamiento de las propiedades post fisuración del SHFR (Ductilidad del SFR).- El nivel de deformación del macizo rocoso es controlado por sistemas de sostenimiento que tengan propiedades favorables de absorción energía para el caso del SHFR en CMH se utilizaban fibras metálicas con
relación de forma
y dosificación de 20 Kg/m³
que en promedio arrojaron:
a) Para el sostenimiento del SHFR sin malla una energía de absorción en promedio de 675 Joules con
un , y a nivel de edades:
GRÁFICO N° 01:
GRÁFICO N° 01: DESCRIBE LAS CAUSAS RAICES DEL BAJO NIVEL DE AVANCES EN CMHSA.
SOSTENIMIENTO PERFORACIÓN VOLADURA LIMPIEZA FALLA EQUIPOS PRIORIZACIÓN
CASOS 42% 21% 11% 9% 10% 7%
INCIDENCIA 42 63 74 83 93 100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
INCIDENCIA DE LOS CICLOS DE MINADO EN LAS CAUSAS ATRIBUIBLES A BAJOS NIVELES DE AVANCE
GRÁFICO N° 02
GRÁFICO N° 02: DESCRIBE LAS CAUSAS RAICES DE DEFICIENCIAS
EN EL SOSTENIMIENTO CON SHOTCRETE V.H
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ENERGÍA DEABSORCIÓN
SHOT.
INSTALACIÓN DEMALLA ELECT.
RESISTENCIATEMPRANA
SHOT.
ESPESOR DESHOTCRETE
FALTA DEDESATADO
%
CAUSAS ATRIBUIBLES A BAJOS NIVELES DE AVANCE POR SOSTENIMIENTO
GRÁFICO N° 03
GRÁFICO N° 03: FACTORES RELIEVANTES DEL SOSTENIMIENTO CON MALLA.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
NIVEL ALTO DE EXPOSICIÓNAL RIESGO DEL PERSONAL AL
COLOCAR LA MALLA
AGRIETAMIENTO TEMPRANODEL SHFR AL COLOCAR LA
MALLA
DÉFICIT DE ENERGÍA DEABSORCIÓN DEL SHFR-MALLA
ALTOS ÍNDICES DE REBOTE ENEL COLOCADO DE LA 2DA.
CAPA
GENERACIÓN DE RÓTULASPOR LA INSTALACIÓN DE
"COLAS DE PESCADO"
GENERACIÓN DE ZONASOCULTAS DETRÁS DE LA
MALLA
%
FACTORES CRÍTICOS DEL SOSTENIMIENTO CON SHFR - MALLA
FACTORES CRÍTICOS DE RIESGO INCIDENCIA (%)
Por Desprendimiento de Rocas 10 8 4 2 24 37.50
Cortes 5 6 5 2 18 28.13
Por ca ída de Personas de otro nivel 4 2 1 7 10.94
Por Aplastamiento 4 5 2 11 17.19
Por Tráns ito 3 1 4 6.25
TOTAL 26 22 11 5 64FUENTE: Sistema SCOM
ELABORACIÓN: PROPIA
INCIDENCIA
TABLA N° 01N° DE EVENTOS POR PERÍODO DE ANÁLISISNATURALEZA DE INCIDENTE ASOCIADO
AL SOSTENIMIENTO DE LABORES DE
AVANCE2009 2010 2011 2012 TOTAL
4
Tal como podemos apreciar en los GRÁFICOS 03-A y GRÁFICO 03-B.
b) Para sostenimiento con SHFR+Malla, se logró una energía de absorción equivalente a 716 Joules que significa TAN SÓLO un incremento del 5% en relación a las propiedades de ductilidad y tenacidad, para un nivel de agrietamiento de 18 mm, que en relación a los “craquelamientos” o fisuramientos
medidos en campo5 significan el
, lo que se puede visualizar en los (GRÁFICO N° 03-C y GRÁFICO N° 03-D), muy por debajo a los planteados en el Modelos propuesto por Dupont y Vandervalle.
5 Estos craquelamientos o fisuraciones del SHFR fueron mayores
inclusive a la longitud de la fibra en el proceso de post fisuración.
OBJETIVOS
1. Evaluar el comportamiento tenso-deformacional del macizo rocoso de CMHSA y determinar el nivel de implicancia en el comportamiento del sostenimiento aplicado.
2. Determinar mediante la Curva Característica del Terreno y Curva Característica del Sostenimiento, los tiempos óptimos de instalación del sostenimiento que hagan viable la optimización del ritmo de minado de nuestras labores de avance en CMHSA.
3. Determinar la posibilidad de REGULAR la RIGIDEZ del SOSTENIMIENTO en la zona de avance para averiguar hasta qué punto es factible controlar la respuesta de deformación de la cavidad.
CONCEPTUALIZACIÓN Y DISEÑO
La necesidad de disponer de un sostenimiento en una labor subterránea como Galería y/o Rampa, conlleva a un problema estáticamente indeterminado como resultado de las interacciones Carga-Deformaciones que interactúan entre el terreno y el sostenimiento, los mismos que se esquematizan en cuatro secciones significativas (ver ESQUEMA N° 01).
ANÁLISIS DE SECCIONES
GRÁFICO N° 03-A
FUENTE: SISTEMA SCOMM - CMHSA
ELABORACIÓN: Propia.
ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SET. OCT. NOV. DIC
20 kg/m3 774 541 606 758 582 693 637 669 723 635 705 777
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Joules
ABSORCION DE ENERGIA PROMEDIO 2010 - 2011
GRÀFICO N° 03-B
FUENTE: INFORMES S.I DE GEOMECÁNICA - LABORATORIO CMHSA
ELABORACIÓN: PROPIA
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
00:0
0
00:4
5
01:3
0
02:1
5
03:0
0
03:4
5
04:3
0
05:1
5
06:0
0
06:4
5
07:3
0
08:1
5
09:0
0
09:4
5
10:3
0
11:1
5
12:0
0
12:4
5
13:3
0
14:1
5
15:0
0
15:4
5
16:3
0
17:1
5
18:0
0
18:4
5
19:3
0
20:1
5
21:0
0
21:4
5
22:3
0
23:1
5
24:0
0
24:4
5
25:3
0
26:1
5
27:0
0
27:4
5
28:3
0
29:1
5
30:0
0
F
U
E
R
Z
A
(
K
N)
DEFORMACIÓN (mm)
TENACIDAD DEL SHOTCRETE (45/35) - DOSIFICACIÓN 20 KG/m³
28 Días 14 Días 07 Dias
E(07) = 326 JOULESE(14) = 550 JOULESE(28) = 686 JOULES
GRÀFICO N° 03-C
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
F
U
E
R
Z
A
(
K
N)
DEFORMACIÓN (mm)
ENSAYO DE TENACIDAD SH(02") + MALLA + SH(01")DOSIFICACIÓN 20 Kg/ m³
ENERGÍA DE ABSORCIÓNE(SHOT+MALLA) =716 JOULESE(SHOT) =678 JOULES
GRÁFICO N° 03-D
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
1.10
2.20
3.30
4.40
5.50
6.60
7.70
8.80
9.90
11.0
0
12.1
0
13.2
0
14.3
0
15.4
0
16.5
0
17.6
0
18.7
0
19.8
0
20.9
0
22.0
0
23.1
0
24.2
0
25.3
0
26.4
0
27.5
0
28.6
0
29.7
0
30.8
0
31.9
0
33.0
0
34.1
0
ENER
GÍA
(Jo
ules
)
ANCHO DE GRIETAS (mm)
NIVELES DE RESPUESTA DEL SHFR A LA PRUEBA ANCHO DE GRIETAS VS ENERGÍA DE ABSORCIÓN
PRUEBA 01 PRUEBA 02 PRUEBA 03 DUPONT - VANDERVALLE
5
Lejos del frente (sección A-A´) ubicada sobre el futuro contorno teórico de la labor donde actúa la tensión (esta sección aún no se ha deformado), de manera que el desplazamiento radial de los puntos de la sección teórica del túnel es nulo.
Próxima al frente (sección B-B´) ya excavada y muy próxima al frente, la tensión Po ha desaparecido y el contorno de la labor ha experimentado un desplazamiento hacia el interior , en tal sentido, debe de existir alguna carga ficticia que permita igualar la deformación
ésta relación
constituye la denominada
“CURVA CARACTERÍSTICA del TERRENO”.
Distancia conservadora al frente (sección C-C´) Aquella zona considerada normal es donde se coloca un determinado sostenimiento (bulones, hormigón proyectado, cimbras, sostenimientos continuos o una combinación de alguno de ellos) que inmediatamente entrará en carga al menos por dos razones: a) El progresivo alejamiento del frente lo que supone la disminución virtual de la carga y por tanto un incremento de deformación radial; b) Las deformaciones diferidas de la roca al transcurrir del tiempo. En primera aproximación el revestimiento reaccionará con una determinada rigidez constante (K) frente a las deformaciones impuestas (ver ESQUEMA N° 02).
Teniendo en cuenta que dicho sostenimiento se instala una vez que la roca se ha deformado una magnitud , la respuesta del revestimiento se puede escribir:
(01) Zona de Equilibrio El desplazamiento Ud corresponde a una determinada presión virtual sobre el túnel Pd, la ecuación N° 01 se denomina CF “Curva de Confinamiento”. Finalmente roca – sostenimiento alcanzarán una posición única de equilibrio (sección D-D´) cuando se alcancen la
presión y desplazamiento comunes a las
dos curvas CC – CF.
Para una determinada curva CC el proyectista o constructor puede optar por: 1) La instalación de un sostenimiento muy próximo al frente o lejos de él (ver ESQUEMA N° 03) y 2) Puede también elegir la rigidez del sostenimiento .
En principio cuanto más rígido sea un sostenimiento y más próximo al frente se instale, mayor será la presión de equilibrio que ha de soportar y menor el desplazamiento radial o convergencia de la galería o rampa.
El requerimiento mínimo de energía (Joules) del
sostenimiento a ser aplicado, está en función a
determinar cuánto es la energía de distorsión que el
terreno es posible que pueda almacenar (joules) una
vez excavado, para lo cual aplicamos y evaluamos el
criterio de Mohr-Coulomb mediante el siguiente
algoritmo.
(02)
Donde:
;
(03)
(04)
El Gráfico N° 04, nos muestra en función a los
diferentes rangos de profundidad H (mts) y RMR6 en
las que actualmente opera CMHSA, la existencia de
una energía mínima requerida por el terreno, en tal
razón, al estar las labores de CMHSA a
profundidades entre H=400-450mts., la energía de
sostenimiento mínima debe ser del orden de los 870
Joules.
6 RMR = Calidad del Macizo Rocoso
6
La diferencia entre el GRÁFICO Nro. 04 y 03-B (870
Joules – 670 Joules) determinó que era imperativo
plantear en CMHSA modificaciones a los criterios
operacionales de sostenimiento con SHFR.
Esta hipótesis implicó resolver, ¿cuál era el PUNTO
DE EQUILIBRIO ÓPTIMO de instalación del
sostenimiento?, para las diferentes condiciones de
carga-deformación. Ésta solución analítica del punto
de equilibrio, responde al análisis de las variables
definidas en ESQUEMA N° 04, cuya resolución
mediante la metodología de PANET se muestra
como una aplicación en el presente estudio.
Determinación del Perfil de Deformación Longitudinal de la labor,
A fin de conocer ¿A qué distancia del frente de avance se alcanza la deformación total máxima?, que a su vez es la deformación crítica de sostenimiento en función al tiempo de autosoporte, aplicamos el algoritmo de PANET
7 descrito en
Ecuación (02) y evaluado en el GRÁFICO N° 04, los a su vez fueron contrastados con el Criterio de
7 PANET considerando un estado de esfuerzos planos a
determinado la presión radial ficticia sobre el perímetro de la excavación para el intervalo , el desplazamiento radial dentro del dominio elástico a cierta distancia d del frente es: ur (d) = λ(x) · ue
Rotura de Hoek y Brown en la determinación de la CCT
8, ilustrado en el GRÁFICO N° 05-A.
(05)
Donde:
= Desplazamiento del terreno a la distancia (d),
(mm).
= Desplazamiento radial elástico (mm).
= Relación geométrica.
El GRÁFICO N° 04, nos muestra que la deformación longitudinal tiene tres zonas notorias que en función a la envolvente de falla ilustrada en el GRÁFICO N° 05-A, determinan las siguientes áreas críticas:
8 Curva Característica del Terreno, que según PERNIA es aquella
relación entre la variación del esfuerzo radial que actúa sobre un punto del perímetro de la excavación subterránea, en función de la deformación que se produce en ese punto del perímetro de la masa rocosa
GRÁFICO N° 04
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
300 350 400 450 500 550 600 650
ENER
GÍA
(Jo
ule
s)
PROFUNDIDAD A LA QUE SE ENCUENTRA LA EXCAVACIÓN (mts)
ENERGÍA DE DISTORSIÓN DEL TERRENO (Joules) VS ALTURA HIDROSTÁTICA (m) Y CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO (RMR)
RMR = 25 RMR = 30 RMR = 35 RMR = 40 RMR = 45
ESQUEMA N° 04
PUNTO DE EQUILIBRIO CCT - CCS
GRÁFICO N° 05
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
De
spla
zam
ien
to R
adia
l U
r /
Um
r
Distancia al Frente / Radio de la Labor (X/R)
PERFIL DE DEFORMACIÓN LONGITUDINAL
CONV=20 mm CONV=25 mm CONV=30 mm CONV=35 mm CONV=40 mm
ZONA 05 ZONA 04 ZONA 03
GRÁFICO N° 05-A
7
1) Puntos 2 y 7 (ZONA A) Las tensiones han cambiado y la presión a disminuido por la generación de desplazamiento estando marcadamente muy cercanos a la envolvente de falla.
2) Puntos 3 y 4 (Zona B) Presencia de zona intermedia y próxima a la envolvente de falla.
3) Punto 5 (Zona C) Existencia de interacción del terreno con el sostenimiento, su estado de esfuerzo corresponde a una condición más estable, ya que el esfuerzo vertical disminuye, sin embargo el esfuerzo cortante se hace más pequeño retirándose de la envolvente de falla, momento éste en que se consigue el equilibrio, Los resultados modelados a través de las estaciones de convergencia instalados en CMHSA determinan, los rangos siguientes:
En la TABLA N° 02, se consolida el nivel de
incidencia de la falta de oportunidad de
sostenimiento en las labores de desarrollo.
Por lo que se hace necesario determinar la
deformación óptima admisible para la instalación del
sostenimiento correspondiente a través de CCT-
CCS, por tanto, para la condición más crítica de
macizo rocoso de CMHSA, es como sigue:
Parámetros de Diseño:
Ancho de la labor = 4.5 x 4.5 m.
Macizo Rocoso (RMR) = 35
Módulo de Poisson = 0.35
Resist. Compresión = 28.00 MPa
Radio de la Labor = 6.00 m.
Cohesión = 0.125
Profundidad labor = 400 m.
Espesor de Shotcrete = 0.075 m.
Longitud Perno (L) = 2.13 m.
Espaciamiento Pernos = 1.50 m.
Presión natural antes de la excavación
(06)
Resistencia sin confinar del macizo rocoso
(07)
Módulo de Young Terreno (E).- Utilizando la (04),
tenemos.
= 16.73 MPa.
Desplazamiento radial correspondiente a la parte
lineal de la CCT.
(08)
mm.
Relación de estabilidad de la excavación VS
Deformación de la excavación, según Hoek
(09)
Módulo de Elasticidad Shotcrete
(10)
MPa
Cálculo de la Rigidez del Shotcrete
(11)
MPa
Cálculo de la Rigidez del Bulonaje
(12)
TABLA N° 01
III IV
DISTANCIA "D" DONDE SE OBTIENE LA DEFORMACIÓN TOTAL
3.50 X 3.50
SECCIÓN TÍPICATIPO DE ROCA
4.50 X 4.50
TABLA N° 02
NIVELES DE INCIDENCIA DE LAS LABORES SIN SOSTENIMIENTO OPORTUNO
FRECUENCIA HORAS
RAMPAS 38% 64.60 5
CRUCEROS 27% 44.80 8
RAMPAS BASCULANTES 22% 56.25 6
GALERIAS 10% 36.78 8
NIVEL DE
CRITICIDAD
08 A 12
AUTOSOPORTE (Hrs)SIN SOPORTETIPO DE LABOR
TIEMPO EN HORAS
8
(13)
MPa.
Además del Esquema N° 01, se puede observar que
la Presión de Sostenimiento en el Punto de equilibrio
Terreno-Sostenimiento es .
Cálculo de la Presión de Sostenimiento
Ps = Presión de sostenimiento del hormigón lanzado
+ Presión del sostenimiento del Bulón.
Partimos de la premisa de que sólo el
shotcrete actuará como elemento de
sostenimiento.
(14)
Desplazamiento máximo con sólo shotcrete
(15)
En el caso de que sólo actuara como elemento de
sostenimiento el bulonaje, tenemos:
(16)
Por tanto, el desplazamiento máximo que soportará
el bulón se obtiene cuando:
(17)
m.
De lo hallado, se determina que la deformación
crítica de diseño será la del shotcrete. Bajo estas
condiciones la Presión Máxima de sostenimiento
será:
(18)
Determinación del F.S.
Desplazamiento radial cuando la presión radial es
igual a cero:
(19)
Reemplazando valores tenemos:
Presión Crítica de tránsito entre la elasticidad y
plasticidad
(20)
Desplazamiento radial en el punto de instalación del
sostenimiento
(21)
Donde:
(22)
m.
Cálculo de
(23)
m
CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL
Comprendiendo los niveles de deformación hallados en las ecuaciones (15) y (17), se hizo necesario
9
determinar ¿cuál era la deformación perimetral del macizo rocoso excavado?, para lo cual planteamos evaluar dicha condición tanto por tipo de labor de avance excava sujeta al tipo de roca dominante. Se instalaron 65 Estaciones de Puntos de Convergencia
9, cuyos resultados a nivel de
deformaciones unitarias diaris reflejaron, lo siguiente: a) Rampa principal=0.18 mm/día; b) Crucero=0.074 mm/día, c) Galería=0.20 mm/día y d) Rampa Basculante=0.17 mm/día, tal como se visualiza en el GRÁFICO N° 06.
La frecuencia de aparición de agrietamientos significativos que son las respuestas post fisuración de SHFR a las diferentes solicitaciones de carga, manifestaron el siguiente comportamiento: a) Rampa Basculante=51 días, b) Galería= 116 días, c) Cruceros=687 días y d) Rampa Principal=550 días. Si asociamos dichos agrietamientos a la vida útil o de servicio de dichas labores concluimos que estos niveles de respuestas del SHFR a nivel global equivale al (50%) de la Vida de servicio de dichas labores.
Dichos resultados, determinaron que la solución al problema del sostenimiento con SHFR aplicado en CMHSA, radicaba en interpretar de manera adecuada el comportamiento de la deformación (efecto post fisuración) gobernada por el comportamiento de flexotracción de la fibra que viene acompañada por la fase de descarga que representa
9 Las estaciones de convergencia consistieron en la instalación de
la pérdida de anclaje entre la fibra y el hormigón, la que estaría en función a la ecuación siguiente:
(24)
CONTRIBUCIÓN DE LA FIBRA
El ACI-544.2 R 10
, establece que la contribución de la Fibra al comportamiento estructural del Hormigón fibroreforzado, viene expresada por el siguiente algoritmo:
(25)
Donde:
B : Valor máximo de carga que admite la fibra, asimismo BARRAGÁN
11, precisa, que las variables
de B están correlacionadas con:
: Es la deformación que se produce al aplicar
cierto nivel de carga.
C,K, n=
: valores asociados al punto de inflexión de
la curva.
La máxima capacidad de carga admisible se obtiene para una deformación unitaria igual a 33 mm que será para CMHSA la mínima admisible, tal como se puede visualizar en el GRÁFICO N° 08, lo que es corroborado con el ESQUEMA N° 05 donde se
10
MEASUREMENT OF PROPERTIES OF FIBER REINFORCED
CONCRETE. 11
DRAMIX, BECKAERT (1998) design guidelines for Dramix Steel
wire fibre reinforced concrete,dimensión el valor de
, cuya investigación pretendió determinar el concepto físico
del factor B, el mismo que está relacionado con la cuantía y el tipo de fibra utilizada.
GRÁFICO N° 06
RAMPA PRINCIPAL CRUCERO GALERÍA RAMPA BASCULANTE
RMR =25 -30 0.018 0.074 0.195 0.170
RMR =31 -35 0.012 0.058 0.076 0.170
RMR =36 -40 0.010 0.049 0.053 0.170
0.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
m
m
/
d
í
a
NIVELES DE DEFORMACIÓN (mm/día) SEGÚN TIPO DE LABOR Y CALIDAD
DEL MACIZO ROCOSO
GRÁFICO N° 07
GRÁFICO N° 07 : MUESTRA EL PERÍODO EN QUE APRECEN LOS AGRIETAMIENTOS
SIGNIFICATIVOS DEL SHOTCRETE.
RAMPA PRINCIPAL CRUCERO GALERÍA RAMPA BASCULANTE
RMR =25 -30 550 687 116 51
RMR =31 -35 664 787 142 88
RMR =36 -40 869 817 168 100
VIDA ÚTIL 1278 996 248 124
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
DÍA
S
MONITOREO DEL GRADO DE "CRAQUELAMIENTO VISIBLE" DEL SHOTCRETE VS TIEMPO DE EXPOSICIÓN POR TIPO DE LABOR Y MACIZO ROCOSO (días)
67 %
47 % 41 %
43 %
10
puede advertir la gran importancia de cuantificar el factor B en función a la cuantía y tipo de fibra a ser utilizado.
CUANTÍA DE LA FIBRA
La función que modela éste comportamiento es de carácter exponencial y está en función directa al
factor de forma de la fibra, resultados que
responden a la resolución simultánea de los algoritmos siguientes.
(26)
27)
El GRÁFICO N° 09, nos muestra que la dosificación
óptima deberá estar en el rango de
y
CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL SHFR
Las pruebas realizadas a lo largo del período de estudio, demuestran que se logró incrementar la energía de absorción para las diferentes dosificaciones en los rangos siguientes: 30 Kg/m³=
154% (1245 Joules) y 40 Kg/m³=196% (1463 Joules), tal como se ilustra en el GRÁFICO N° 10, cuya interpretación evidencia que el SHFR de CMHSA se ajusta al Modelo DUPONT y VANDERVALLE ilustradas en el GRÁFICO 3-D.
La descripción del GRÁFICO N° 10 con fines de evaluar el comportamiento estructural del SHFR, determina que la resistencia a la que se produce la primera fisuración responde al comportamiento de la ecuación constitutiva siguiente:
(28)
Assimismo, las Resistencias Residuales, correspondientes a los estados de fisuras , responden al evaluar el
comportamiento de la siguiente ecuación constitutiva.
(29)
Resultados que se muestran en el GRÁFICO N°11, en el que se puede apreciar que la primera fisuraestá en anchos de grietas entre 14 a 20 mm, lo que significa que al utilizarse la fibra del tipo HOOKE
existe un F.S =1.75, muy superior a los
simulados en la formulación del diseño.
GRÁFICO N° 08
0
20
40
60
80
100
120
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
CA
RG
A (
%)
DEFORMACIÓN UNITARIA (mm)
DIAGRAMA CARGA-DEFORMACIÓN PARA FIBRAS TRACCIONADAS CON DIFERENTES VALORES DE B
B=10
B=20
B=40
B=60
B=80
B=100
GRÁFICO N° 09
0
20
40
60
80
100
120
30 40 50 60 65 70 80
KG/m³
RELACIÓN DE FORMA (L/D)
DOSIFICACIÓN DE FIBRA PARA UNA MISMA EFECTIVIDAD
FS=1.15 FS=1.15 FS=1.30 FS=1.45
GRÁFICO N° 10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35
Fu
erza
(K
N)
Deformación (mm)
GRAFICO FUERZA VS. DEFORMACION - FIBRA METALICA - 20 - 30 y 40kg/m3
F/ M - 65/35 (20KG) F/M - 65/35 (30KG) F/M - 65/35 (40KG)
DATOS DE ENSAYOS
1.- Curvas de Absorcion de Energia a los 28 Dias
2.- Energia Requerida para 20 kg =800 Jolule3.- Energia Requerida para 30 kg =1000 Jolule4.- Energia Requerida para 40 kg =1200 Jolule
5.- Energia alcanzada F/M 65/35 20 kg /M3 = 744 Joule 6.- Energia alcanzada F/M 65/35 30 kg /M3 = 1245 Joule 7.- Energia alcanzada F/M 65/35 40 kg /M3 = 1463Joule
11
ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. Producto de la investigación resulta, que: 1) La malla electrosoldada a nivel de sostenimiento conjunto con el SHFR no tiene aporte estructural significativo
12, por lo que mediante pruebas de
campo y validaciones a nivel de laboratorio determinan que para relaciones de aspecto de la
fibra
, y para dosificaciones de fibra
entre 30Kg/m³ y 40 kg/m³, se obtienen energías de absorción entre (Joules), que permiten CONTROLAR LAS DEFORMACIONES DEL MACIZO ROCOSO y así operar la mina de manera eficiente.
2. El Planeamiento de las operaciones unitarias de avance, responden a gestionar de manera adecuada las respuestas de interacción terreno-sostenimiento, a través de deformaciones del orden de:
Shotcrete = m.
Perno de anclaje13
= ,
3. Que, el ancho de agrietamiento del shotcrete evidencie rangos <33mm, que permiten tener un F.S=1.58 significando un decremento en los volúmenes de RESANE de shotcrete del orden del 34%.
12
Entiéndase que su aplicación responde al contexto de
operaciones de CMHSA. 13
Pernos HYDRABOLT
4. Que, es factible realizar labores de minado en avance controlando la deformación del macizo-sostenimiento, y para CMHSA el Punto de
equilibrio significa , Para un tiempo de autosporte , evaluado bajo el concepto de la ecuación (21).
5. En la actualidad el índice de consumo de malla electrosoldada para todas nuestras operaciones de avance haya disminuido en su totalidad.
6. El índice de productividad (mts/día) signifique un incremento del orden del 42% añadido a ello, los índices de frecuencia y severidad atribuidos al sostenimiento hayan disminuido ostensiblemente en CMHSA.
7. Es factible controlar la RIGIDEZ del sostenimiento, mediante la colocación de dos capas de shotcrete: a) Primera Capa con RIGIDEZ mayor, b) Segunda Capa con RIGIDEZ menor, estando ésta a una distancia del tope de la labor, congruente con lo descrito en el GRÁFICO N° 05-A.
PANEL FOTOGRÁFICO
FOTO N° 01
Se puede observar que ya no se utiliza en las
intersecciones la malla electrosoldada.
GRAFICO N° 11
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
2.6 2.7 2.8 2.8 2.8 3.1 3.3 3.4 3.9 4.1 4.4
An
cho
de
gri
eta
s (m
m)
f1f (Mpa)
ANCHO DE GRIETAS GENERADOS POR CARGA APLICADA
CTODo (mm) 3CTODo (mm) 5.5CTODo (mm) 10.5CTODo (mm)
GRÁFICO N° 12
GRÁFICO N° 12 : EL INCREMENTO DEL TIEMPO DE APARICIÓN DEL CRAQUELAMIENTO, LO QUE
SIGNIFICA MEJOR CALIDAD DEL SHOTCRETE Y MAYOR VIDA ÚTIL DEL MISMO
RAMPA PRINCIPAL CRUCERO GALERÍA RAMPA BASCULANTE
RMR =25 -30 692 777 150 89
RMR =31 -35 844 936 180 107
RMR =36 -40 1168 907 192 105
VIDA ÚTIL 1278 996 248 124
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
DÍA
S
MONITOREO DEL GRADO DE "CRAQUELAMIENTO VISIBLE" DEL SHOTCRETE VS TIEMPO DE EXPOSICIÓN POR TIPO DE LABOR Y MACIZO ROCOSO (días)
78 %
60 % 72 %
54 %
12
FOTO N° 02
Grandes labores de avance sostenidas con SHFR en
las intersecciones se aplica doble capa= Primera de
02 pulg y la Segunda una capa de 01 pulg, se
refuerza con Pernos HYDRABOLT de 07 pies.
FOTO N° 03
La utilización de equipos de sostenimiento de última
generación MIXER y ROBOT fabricados en CMHSA,
note la ulización de precintos como elemento de
control para la aplicación de la segunda capa de
shotcrete.
FOTO N° 04
Ahora se utiliza equipos de mayor tonelaje para el
carguío y extracción de mineral, así como para la
supervisión se cuenta con movilidad adecuada.
LISTADO DE VARIABLES
: Desplazamiento radial a la distancia d (m)
: Carga Litoestátiva (MPa).
: Relación de esfuerzo vertical/horizontal.
: Esfuerzo vertical (m).
E : Módulo de Young (MPa).
RMR : Rock Massing Rating.
: Esfuerzo a la compresión (Mpa).
: Relación unitaria de deformación.
13
: Relación geométrica.
: Cuantía de la fibra (%).
: Relación de forma de la fibra.
: Primera fisuración del SHFR (mm).
: Ancho de Fisuramiento (mm).
: Tensión de Corte terreno (MPa).
CTOD : Nivel de Fisuramiento (mm).
BIBLIOGRAFÍA
1. HOEK y BROWN “EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS EN ROCA” Mc GRAW HILL 1985.
2. BARROS J.A.O., FIGUEIRAS J. A. “Flexural behavior of SFRC: Testing and modeling “Journal of materials in Civil Engineering”, November 1999, vol 11, Isuue 4, pp 331-339.
3. KOOIMAN A. “Modelling Steel Fibre Reinforced Concrete for Structural Design”, PhD Thesis, Delft University of Technology, Deft, 2000.
4. RILEM TC 162-TDF “Test and Design methods for steel reinforced concrete”, Materials and Structures, March 2000, vol 33 pp 75-81.
5. HANRY GUILLÉN VILCA “Diseño del Túnel de Descarga Presa Cuchoquesera-Ayacucho” Tésis de Grado-Ingeniería Civil – 2000.
6. CMHSA – Estudios de Laboratorio de Concreto 2011-2012.