Pernos de Anclaje en Mineria Subterranea

Pernos de Anclaje Fortificación en Minería Subterránea Cód: 001607-n01

TEC.MINEBRIOS

Este es un documento de apoyo que ha sido confeccionado con material disponible en diferentes páginas de internet con el fin de ayudar en la elaboración de trabajos, informes, disertaciones y materia para estudiar para pruebas, exámenes etc. Relacionados principalmente con el área minera.

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TECNICOS EN MINERIA AIEP CALAMA

CALAMA

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1 Fortificación y Acuñadura Para entender los pernos de anclaje que el tema que nos tocó en nuestro informe primero debemos conocer en que consiste la actividad de fortificación y acuñadura en minas subterráneas, que es una de las tantas actividades que se deben realizar para que una mina subterránea funcione sin que se corran riesgos o peligros para trabajadores y equipos. Uno de los riesgos más importantes de accidentes en las labores mineras subterráneas, es la caída de rocas desde el techo de las galerías o de sus cajas o costados, y en las minas a rajo abierto el deslizamiento de terrenos. Al construir labores subterráneas como túneles o galerías se extrae un determinado volumen de masa rocosa que provoca cambios en las condiciones naturales de equilibrio. Se crean espacios en los cuales las caras libres o contornos y quedan sometidas a fuerzas que quedan sin oposición y convergen hacia el espacio vacío, provocando grietas en el techo y las cajas, y pueden generar el desprendimiento de rocas sueltas o planchones. Están rocas sueltas o planchones pueden verse ayudadas en su generación por condiciones como presencia de agua, método de explotación, uso exagerado de explosivos, tamaño de la labor y condiciones propias de la roca. La prevención de estos riesgos comienza con un adecuado diseño de las labores mineras, una correcta secuencia de tronadura y una adecuada dosificación de explosivos. No obstante, la acuñadura es fundamental para el mantenimiento de labores seguras 1.1 Acuñadura En simples palabras Es la operación de desprender oportunamente planchones o material rocoso suelto susceptible de caer desde cajas y techo evitando que caigan imprevistamente y provoquen daños o lesiones, esta actividad se puede realizar de manera manual o mecanizada Es una actividad que se debe tomar con seriedad ya que si se hace de manera deficiente genera entre el 30 % y 40 % de los accidentes de trabajo y en la mayoría de los casos, son incapacitantes o fatales En el caso de ser acuñadura manual debe ser realizada por personal calificado y con amplia experiencia, responsable, y consiente de los riesgos que esta actividad tiene. El trabajador realiza esta actividad con herramientas que son barras de metal liviano, firme y rígido con un diámetro cercano a las dos pulgadas y que de largo tienen entre uno a cuatro metros y medio, estas barras tienen diferentes puntas como punta de paleta, punta de bola, esta última sirve para saber si la roca esta firme o suelta para eso se da un golpe a la roca y si suena bombeado o hueco es que la roca esta suelta y si suena seco o metálico es que la roca esta firme.

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Al usar estas barras el trabajador nunca debe estar directamente debajo de las rocas que está acuñando debe considerar que están en cualquier momento caen, por lo que debe mantener cierta distancia y siempre estar en una posición firme y manipulando la barra al costado del cuerpo. También se recomienda que nunca esta actividad la realice el trabajador solo, siempre acompañado de otro trabajador y que el lugar de trabajo este despejado en caso de una retirada rápida y nunca introducir las barras en perforaciones para tronadura ya que puede haber quedado algún tiro quedado y con la barra metálica puede detonar. Siempre ir verificando el proceso para corregir errores que pueden resultar en accidentes fatales, la acuñadura se realiza antes de la fortificación por lo general, aunque si la labor lo amerita se deberá realizar acuñadura cuando sea necesario.

1.2 Fortificación En pocas palabras la fortificación es el conjunto de procedimientos que permiten mantener estable las labores cuando su condición no es autosoportante en una mina subterránea. El rol fundamental de la fortificación es: -

Mantener las labores seguras y con una sección y dimensiones suficientes para la circulación del personal, equipos, aire, etc. Impedir el desmoronamiento de material fracturado. Disminuir el movimiento de las cajas, techo y piso (minería del carbón). Mantener la cohesión de los terrenos

El monitoreo y tratamiento oportuno del terreno peligroso mediante fortificación, es vital para evitar que se produzcan accidentes, pérdidas en la producción o daños en los equipos. La fortificación debe diseñarse de manera racional y específica para cada caso en particular, no podemos llegar y llenar de pernos y mallas nuestra labor minera ya que estamos perdiendo plata y en minería los costos son sumamente importante. En faenas mineras de corta vida, la fortificación si es necesario, será tan sencilla como sea posible; no obstante, debe asegurar la estabilidad de la labor. En faenas de mayor duración, la tendencia es diseñar fortificaciones de carácter más permanente como en el caso de Chuquicamata Subterránea. Existen varios métodos de fortificación, como la fortificación con madera el método más empleado en la pequeña minería. También para fortificar se podría considerar la utilización de pernos de anclaje, mallas de acero tipo biscocho, mallas electro soldadas o acma, hormigón proyectado o shotcrete, y marcos de acero, aunque todos estos últimos son utilizados por la gran minería.

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1.2.1 Clasificaciones de la Fortificación De acuerdo con el mecanismo de sostenimiento, se distinguen los siguientes tipos de fortificación: -

Fortificación Activa Se orienta a restablecer el equilibrio original de los diferentes esfuerzos y, al mismo tiempo, a modificar estructuralmente la roca para hacerla “autosoportable”. Los métodos más empleados son el anclaje de rocas (puntuales o repartidas), y las proyecciones neumáticas de hormigón (shotcrete)

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Fortificación Pasiva Es aquella en que, por razones operacionales y de seguridad, no aplica ninguna carga externa al momento de la instalación y sólo trabaja cuando el macizo rocoso experimenta alguna deformación. Los métodos más empleados son la enmaderación, los marcos metálicos (rígidos, deslizantes o articulados), el hormigón armado (vigas – marco de concreto, mampostería), shotcrete, malla.

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Fortificación Mixta Es aquella en que, por razones operacionales y de seguridad, combina soportes y refuerzos. Los métodos más empleados son la enmaderación (reforzada con perfiles metálicos), los marcos de acero - pernos de anclaje y shotcrete, el hormigón proyectado (reforzado con cerchas o perfiles metálicos), y el shotcrete con pernos de anclaje y mallas de acero. Los soportes se deben ubicar de manera uniforme, sistemática y en los intervalos apropiados.

También la fortificación se clasifica de manera Rígida o Flexible: -

Fortificación rígida: Que son las que sostienen sin permitir ningún movimiento de la roca y deben ser lo bastante resistentes para sujetar los bloques que puedan caerse. En la actualidad solo se usan en las bocas de las minas o sectores donde por razones tectónicas, de mala calidad de la roca o explotaciones hundidas antiguas se ha perdido totalmente las propiedades resistentes de la roca.

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Fortificación flexible: Son fortificaciones que permiten deformaciones de la roca con lo que se alivian los esfuerzos y al deformarse mejoran sus propiedades resistentes. Son la mayoría de las fortificaciones modernas como: marcos deslizantes, cintas, marcos noruegos, y la mayor parte, pernos de anclajes y cables.

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2. Pernos de Anclaje La historia de los pernos de anclaje se podría decir que se inicia hace más de 100 años en minas de carbón en Estados Unidos años después el sistema consistía en insertar varillas secas de madera en perforaciones en el techo de la labor y al contacto con la humedad la varilla se expandía. Este aumento de volumen producía fuerzas radiales traducidas finalmente a fricción, impidiendo que la roca resbalara sobre la madera Los pernos de anclaje actualmente son de acero, barras de acero de grosores similares y de diferentes longitudes algunos lisos y otros estriados, algunos necesitan de elementos como lechada de cemento u otra resina para adherirse, pero todos con el mismo fin impedir la caída de rocas en la labor minera. La caída de rocas es uno de los mayores riesgos para los trabajadores de la industria minera subterránea La caída de roca o planchones se produce cuando por razones diversas, el macizo rocoso colapsa o falla, lo que genera una inestabilidad y por acción de la gravedad esta masa se desliza en forma repentina, por ello el objetivo principal del diseño de los sistemas de refuerzo para las excavaciones subterráneas, es ayudar al macizo rocoso a soportarse, es decir, básicamente están orientados a controlar la "caída de rocas" que es el tipo de inestabilidad que se manifiesta de varias maneras, siendo las más importantes las fracturas debidas a situaciones del tipo Gravitatorio (desprendimiento y/o desplazamiento ) Violentas o Explosivas (Rock Burst) También la caída de rocas se influenciada por diferentes factores como los siguientes: -

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Factores geológicos: Se relacionan directamente a las características 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 subterránea, 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 caída de rocas. Método de explotación: Un método de explotación inapropiado al tipo y calidad de roca, influye en la inestabilidad de la excavación 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 excavación, lo que provoca la generación de micro fracturas y apertura de diaclasa, las que pueden provocar caída de

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roca. Los pernos de anclaje se encuentran según las clasificaciones antes mencionada en fortificación flexible y fortificación activa según Sernageomin. El número de pernos de anclaje depende del tamaño de la roca a asegurarse y del grado de peligro de caída de la misma. Como guía para áreas normales que necesiten pernos de anclaje, podemos decir que pueden estar espaciados cada 1.20 m de distancia. Los pernos de anclaje deben instalarse en una posición tal que le permita pasar por la fractura o fracturas y la roca madre, permitiendo de esta manera que la chaveta quede fija en la roca firme. Los pernos de anclaje son de diferentes diámetros (3/4”, ½”, 1”). La planchuela del perno de anclaje, en lo posible, debe ser perpendicular al perno de anclaje y esto y a debe ser considerado el momento que se elija el lugar donde se colocará el perno. La inclinación de los pernos de anclaje es muy importante para su efectividad. En lo posible el perno debe ser colocado perpendicular a la fractura o fracturas y a la cara dela roca. Componentes de un perno de anclaje: un perno de anclaje está compuesto principalmente por 3 elementos que son en perno como tal con estrías o hilos para que la turca pueda tensar el perno, la planchuela de 20 x20 cm aproximadamente y la tuerca. En la siguiente imagen se pueden apreciar los 3 elementos respectivamente:

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2.1 Aplicación de pernos de anclaje Como vimos recientemente los pernos se ocupan para evitar la caída de rocas o planchones, pero como en qué forma se presentan principalmente estos elementos que pueden caer en cualquier momento. -

Cuña: como su nombre lo dice son cuñas que se forman, por lo general en la corona de nuestro túnel o galería En rocas masivas o levemente fracturadas como en la figura se debe colocar los pernos siguiendo el diagrama presentado

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Viga: se presentan en la parte de la corona de la labor se recomienda que en rocas estratificadas sub-horizontal y en rocas no estratificadas con un sistema de fracturas dominantes sub-horizontales, los pernos deben ser colocados como se presentan en el diagrama siguiente:

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Columna: Columnas de rocas presente en los costados de la labor que en cualquier momento se puede desprender, esta es una situación común en la explotación de vetas angostas cuya caja pendiente se encuentra fracturada (explotaciones de corte relleno o en avances de galerías). El aseguramiento de la caja se logra mediante la colocación de los pernos como se presenta en el diagrama siguiente:

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2.2 Tipos de Pernos de Anclaje Actualmente en mercado existen varios tipos de pernos de anclajes como los que veremos a continuación. 2.2.1 Perno Anclado Mecánicamente con Cabeza de Expansión: EL perno de anclaje con cabeza de expansión es el más común de este tipo de anclaje mecánico. Al introducir el perno en la cuña de la cabeza de expansión, ésta se expande y queda sujeta en las paredes de la roca dentro de la perforación. Este sistema es usado tanto en las labores mineras como en las de ingeniería civil. Con muy pocas excepciones, estos pernos de anclaje se usan en rocas medianamente duras o duras. No es recomendable usar en rocas muy duras, pues la cabeza de expansión puede que no penetre adecuadamente en las paredes de la perforación y con el tiempo resbalar. En lugares donde la labor permanecerá por muchos años se puede rellenar con cemento. Los pernos de anclaje constan de las siguientes partes:

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Perno de anclaje. Planchuela de 4 x 4 pulgadas y ¼ “de grosor. Cabeza expansible. Tuerca.

Ventajas -

Relativamente de bajo costo Trabaja de manera inmediata Al girar el perno, se aplica presión lateral en la cabeza del perno y de esta manera se acumula tensión en el mismo Con un relleno posterior de cemento el perno puede servir como fortificación permanente. En rocas duras el perno puede soportar cargas altas Es un sistema versátil para fortificación en rocas duras

Desventajas -

Su uso está limitado a rocas moderadamente duras a duras. Difícil de instalar. • Debe ser monitoreado después de su instalación. Pierde capacidad debido a tronaduras cercanas o cuando la roca se fractura alrededor de la zona de expansión.

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2.2.2 Pernos de anclaje cementado o lechados Los pernos de anclaje por adherencia, con resina o lechada de cemento han sido usados en los últimos 40 o 50 años en minas y construcciones civiles. El tipo más comúnmente usado es el perno, barra de hierro o acero tratado. Se utiliza lechada de cemento o resina como adherente. Debe asegurarse la adherencia necesaria para solidarizar la barra al terreno. La resina resulta conveniente para ser usada en pernos sometidos a altas tensiones desde momentos tempranos y se prestan para pretensado, lo cual no descarta su uso en pernos sin tensión previa. En cualquiera de sus variedades, es recomendable para soporte temporal o permanente bajo variadas condiciones de rocas. Hace pocos años atrás se anticipó que la resina podría, en general, reemplazar el uso del cemento como agente adherente, sin embargo, por una serie de razones, principalmente el costo, esto no ha ocurrido Para la instalación de estos pernos el diámetro de la perforación debe ser un poco mayor que el propio perno para dejar espacio para la resina o lechada de cemento por ejemplo si el perno es de 20mm como máximo el diámetro de la perforación debe ser 32 mm Los componentes de tipo de perno son

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Perno de anclaje Planchuela Tuerca

Al aplicar lechada de cemento para fijar el perno se debe dejar fraguar este elemento para esto se requiere de varios días de curado antes que el perno trabaje a carga completa, pero apropiadamente instalados son competentes y durables, con alta resistencia en condiciones de roca dura. Tienen larga vida útil y constituyen el sistema más versátil de pernos de roca. Para apurar este proceso y mejorar las propiedades es que a la lechada de cemento se le pueden adicionar Aceleradores de fraguado, Antifloculantes y Reducidores de tensión superficial. Al aplicar alguna resina esta es similar a la Poxilina resina que usamos para reparar cosas en nuestras casas y que la compramos en la ferretería o supermercados y que para funcionar se deben mesclar los dos colores de la masa que vienen en el envase. En minería subterránea es muy similar ya que introducimos la resina en la perforación y al girar y avanzar el perno de anclaje se mezclan los dos componentes de la resina lo que permite que esta actué y que en un tiempo de fraguado de 5

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minutos esta esté lista, se recomienda el uso de resina en lugares con presencia de agua donde no se puede aplicar pernos con cemento

Ventajas -

La lechada y la resina protegen al perno de acciones corrosivas. Puede tensarse formándose una viga resistente alrededor de la Excavación. En el caso de la resina rápida acción después de haber sido instalado Puede ser usado en fortificaciones permanentes. Si una resina de rápido fraguado se usa como adherente, el perno puede ser permanentemente presionado.

Desventajas -

Dificultad con los cartuchos de resina en ambientes subterráneos que pueden afectar su uso. En determinados casos su manipulación representa un riesgo. En el caso del cemento actúa recién cuando el cemento ha fraguado. Baja resistencia al cizalle. La lechada de cemento no va a funcionar con presencia de agua. Debe existir un estricto control para que la lechada de cemento funcione.

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2.2.3 Pernos Anclados por Fricción Existen dos tipos de pernos anclados por fricción Split set y Swellex ambos sistemas, la resistencia a la fricción para el deslizamiento entre la roca y el acero, sumado a la acción mecánica de bloqueo es generada por la fuerza axial entre la superficie del barreno y el perno. En instalaciones transitorias la presencia de humedad no es inconveniente, pero debe descartarse para uso permanente bajo estas condiciones. Aunque los dos sistemas están descritos bajo un mismo denominador, estrictamente hablando solo el Split set es realmente de fricción. En caso del Swellex, combina la fuerza de fricción sumada al mecanismo de expansión del perno al interior del barreno que habitualmente tiene paredes irregulares. Esta situación genera una acción de bloqueado que permite obtener alta resistencia a la tracción. Ambos pernos son habitualmente usados en minería, y su uso en ingeniería civil es limitado, pero el Swellex está ganando campo en trabajos de túneles.

2.2.3.1 Pernos Split set El split set, consiste de un tubo ranurado a lo largo de su longitud, uno de los extremos tiene cierta punta y el otro lleva un anillo soldado para mantener la planchuela. Al ser introducido el perno a presión dentro de una perforación de menor diámetro, se genera una presión radial a lo largo de toda su longitud contra las paredes del taladro, cerrando parcialmente la ranura durante este proceso. La fricción en el contacto con la superficie d la perforación y la superficie externa del tubo ranurado constituye el anclaje, el cual se opondrá al movimiento o separación de la roca circundante al perno, logrado asi el objetivo de fortificar la zona de la labor minera. El diámetro de los tubos ranurados varía de 35 a 46 mm, con longitudes de 1 a cerca de 4 metros. Pueden alcanzar valores de anclaje de 1 a 1.5 toneladas por cada 30 centímetros de longitud del perno, dependiendo principalmente del diámetro de la perforación efectuada, longitud de la zona del anclaje y tipo de roca. Los Split sets son utilizados mayormente para reforzamiento temporal, usualmente conformando sistemas combinados de refuerzo en terrenos de calidad regular a mala. En roca intensamente fracturada y débil no es recomendable su uso. Su instalación es simple, sólo se requiere una máquina jackleg o un jumbo. Proporciona acción de refuerzo inmediato después de su instalación y permite una fácil instalación de la malla. El diámetro de la perforación es crucial para su eficacia, el diámetro recomendado para los split sets de 39 mm es de 35 a 38 mm, con diámetros más grandes se corre el riesgo de un anclaje deficiente y con diámetros más pequeños es muy difícil introducirlos.

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Son susceptibles a la corrosión en presencia de agua, a menos que sean galvanizados. En mayores longitudes de split sets, puede ser dificultosa la correcta instalación. Los split sets son relativamente costosos. Estos pernos están compuestos por las siguientes partes:

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Perno de anclaje Split sets Planchuela

Ventajas -

Fortificación activa inmediatamente al ser instalados. No afectados por tronaduras y sismos. Combinables con otros tipos de fortificación. Efectivos para control de fallas y cuñas.

Desventajas -

Se corroen con la acción del agua. El control de diámetro de perforación en crucial. De baja resistencia al corte. Más caro que los demás.

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2.2.3.2 Pernos Swellex También es un perno de anclaje por fricción, pero en este caso la resistencia friccional al deslizamiento se combina con el ajuste, es decir, el mecanismo de anclaje es por fricción y por ajuste mecánico, el cual funciona como un anclaje repartido. El perno Swellex está formado por un tubo de diámetro original de 41 mm y puede tener de 0.6 a 12 m de longitud o más (en piezas conectables), el cual es plegado durante su fabricación para crear una unidad de 25 a 28 mm de diámetro. Éste es insertado en un taladro de 32 a 39 mm de diámetro. No se requiere ninguna fuerza de empuje durante su inserción. La varilla es activada por inyección de agua a alta presión (aproximadamente 30 MPa ó 300 bar) al interior del tubo plegado, el cual infla al mismo y lo pone en contacto con las paredes del taladro, adaptándose a las irregularidades de la superficie del taladro, así se consigue el anclaje. Una vez expandido el tubo, se genera una tensión de contacto entre el tubo y la pared del taladro, produciendo dos tipos de fuerzas: una presión o fuerza radial perpendicular a su eje y una fuerza de rozamiento estático, en toda su longitud, cuya magnitud depende de la estructura de la roca y de la dimensión del taladro. Constituyen un sistema alternativo a los Split sets, pero de mejor rendimiento en terreno de menor calidad, para el refuerzo temporal. Debido a la existencia de distintos tipos de Swellex, cubren un amplio rango de aplicación desde rocas duras a suaves y en terrenos muy fracturados. Tienen buena respuesta a los efectos cortantes de la roca. En roca dura, 0.5 m de longitud del perno, proporciona una resistencia a la tracción igual a su carga de rotura. Dada su gran flexibilidad, éstos pueden instalarse en longitudes de hasta 3 veces la altura de la labor. Es de instalación sencilla y rápida, el efecto de refuerzo es inmediato, El principal problema es la corrosión, aunque las nuevas versiones vienen cubiertas con una capa elástica protectora o son de acero inoxidable. Son más costosos que los Split sets. Principalmente estos pernos están compuestos por los siguientes elementos:

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Perno de anclaje Swellex. Planchuela .

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Ventajas -

Instalación rápida y simple. Fortificación activa inmediatamente al ser instalados. No afectados por tronaduras y sismos. Combinables con otros tipos de fortificación. (mallas shotcrete). Efectivos para control de fallas y cuñas.

Desventajas -

Se necesita de una bomba para instalar los pernos. Se maneja agua a alta presión. Alto costo.

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2.2.4 Fortificación con cables de acero

Este elemento es considerado como cierto tipo de perno de anclaje. Un cable de acero es un conjunto de alambres de acero, retorcidos helicoidalmente, que constituyen una cuerda de metal apta para resistir esfuerzos de tracción con apropiadas cualidades de flexibilidad. El cable de acero está formado por tres componentes básicos. Aunque pocos en número, estos varían tanto en complejidad como en configuración de modo de producir cables con propósitos y características bienes específicas. Los tres componentes básicos del diseño de un cable de acero normal son: · los alambres que forman el cordón. · los cordones. · el alma. Su principal campo de aplicación es en el control de bloques inestables, tales como: excavaciones de gran tamaño, puntos de extracción, piques de traspaso, intersecciones de galerías. Una vez instalados y anclados pueden tensarse por medio de herramientas especiales lo que permite que os cables se expandan con lo cual se obtiene mayor estabilidad de la roca al lograr un reforzamiento adicional. Posteriormente se cementan en toda su longitud (o no) consiguiéndose un mayor confinamiento y protección a la corrosión. La función principal del cemento o resina es la de transferir la carga de la roca al cable, además de cumplir con la función de anclaje cable- macizo. Este elemento está compuesto principalmente por:

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Cable de acero. Elemento para permitir torsión. Planchuela.

Ventajas -

Instalación rápida y simple. Correctamente instalado, es un durable sistema de refuerzo. Puede ser instalado de cualquier largo en áreas estrechas. Entrega una alta capacidad de carga en cualquier tipo de roca. Alta capacidad a la corrosión.

Desventajas -

Una pretensión del cable sólo puede ser posible con una instalación y herramientas especiales. El uso de cemento estándar requiere de varios días de fraguado, antes que el cable pueda tomar carga.

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3 Uso de pernos de Anclaje según método de BIENIAWSKY (RQD)

Para saber cuándo se deben usar los pernos de anclaje, pernos lechado de 20 mm en este caso se toman los siguientes aspectos:

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-Resistencia compresiva de la roca -RQD -Presencia de agua -Características de los planos de debilidad -Espaciamiento de los planos de debilidad

Tasa calidad de roca (= < 100)

Tomando lo anterior se genera la siguiente tabla con la que nos permite saber que usar según la calidad de la roca:

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