SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS.doc

UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS

“SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS” CURSO

: MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN SUBTERRÁNEA II

DOCENT DOCENTE E : Msc Msc Ing. Ing. CAMP CAMPOS OS ARZA ARZAP PALO, ALO, Edmun Edmund d ALUM ALUMNO NOS S

: AMA AMAO O !UC !UCR RA, Ed"# Ed"#n n !u$ !u$#. #. POMA RUMI, S%&'.

A!ACUC(O ) NO*IEMBRE +-

-

SOSTENIMIENTO CON CIMBRAS INTRODUCCIÓN Este tipo de sostenimiento el cual es pasivo, es utilizado generalmente para labores permanentes permanentes de avance avance en condiciones condiciones de masa rocosa rocosa intensamen intensamente te fracturada fracturada o muy débil, que le confieren de mala calidad a muy mala calidad, sometida a condiciones de altos esfuerzos. Para lograr un control efectivo de la estabilidad en tales condiciones de terreno, las cimbras son utilizadas debido a su excelente resistencia mecánica y sus propiedades de deformación, lo cual contrarresta el cierre de la excavación y evita su ruptura prematura. La ventaa es que este sistema contin!a proporcionando soporte después que "ayan ocurrido deformaciones importantes. #omo la $ina %osaura utiliza el método de minado &"undimiento por subniveles'. (e tienen problemas de inestabilidad de la masa rocosa. Estos efectos se deben por un lado, a la calidad muy mala de la estructura veta ) falla, a las caracter*sticas &expansivas' y de &alta deformabilidad' de la roca, y a la presencia del agua. La mina %osaura, "a encontrado en las cimbras la !nica alternativa de sostenimiento que garantiza la relativa estabilidad de las labores, esto es, mantener la labor de la meor  manera posible posible durante durante el tiempo de vida que se le asigne. +l +l decir de la meor manera posible, nos referimos a poder mantener las necesidades de ventilación e infraestructura con las garant*as determinadas de seguridad y a un costo óptimo. Las cimbras se encuentran extendidas en poco más del -  de las labores, sin embrago el tiempo de vida de las labores muc"as veces es muy inferior al tiempo requerido. /na /na filo filoso sof* f*a a del del depa depart rtam amen ento to de 0eom 0eomec ecán ánic ica a de la mina mina %osa %osaur ura a podr podr*a *a ser1 ser1

“Conoc “Conocer er al enemig enemigo o para para poder poder derro derrotar tarlo” lo”.. En base a esa premisa si logramos entender el comportamiento de las cimbra, podremos optimizar el sostenimiento de las labores.

+

CONCETO DE CIMBRAS.! (on estructuras fabricadas con vigas y perfiles metálicos para soporte r*gido, cuya función es sostener las caas y tec"o de la labor. Es un sistema de sostenimiento pasivo debido a que los arcos del acero no interact!an con la roca, soportan cargas solo cuando existe un movimiento de rocas a alguna distancia detrás del frente de avance.

2ig. 34 -51 cimbra forma &6'

2ig. 34 -71 cimbras de dos Piezas

2ig. 34 -81 cimbras instaladas en dos piezas.

DE"INICIÓN DE A#$UNOS T%RMINOS er&il del Acero'  2orma o figura del corte en sección transversal de una viga de acero, entre las usadas en la mina %osaura tenemos el perfil &6' y omega 9:;.



Marc(a)ante*' Pueden ser tablas o rieles de 8 metros de longitud, con un extremo en punta, que sirve para controlar los derrumbes del tec"o de una labor en avance, se usa antes de colocar el sostenimiento.

In)ert' (olera invertida que sirve para aumentar la resistencia de las cimbras frente a las presiones laterales.

C+ncamo*' Estacas de fierro, acero o madera, dentro de un taladro de 7 pies que se anclan con la finalidad de servir de punto de anclae, apoyo o sueción.

Enco*tillado de Madera' Entablado de la parte lateral de una cimbra con la finalidad de controlar el desplome de la roca de las paredes de una labor 

Tirante* o Di*tanciadore*' 2ierro corrugados de diámetro iene %B= R 7G y en contacto con la brec"a se presentan goteras de agua. (u calidad de roca disminuye conforme se acerca al contacto con la brec"a de falla. 0eomecánicamente tiene valores %$% R 7G (u espesor var*a de 5G a 7- metros y se vuelve muy irregular en los niveles inferiores.

9ona C.! Srec"a de falla tectónica, se encuentra muy alterada y se disgrega fácilmente. (u calidad se reduce considerablemente por la presencia de agua. >iene propiedades expansivas y en esta zona se registran las mayores deformaciones de cimbras. 0eomecánicamente presenta valores %B= A -, %$% R 7- Presenta diseminado cerca al mineral masivo y en ella se registraban fluos de agua que originan los soplados, los que fueron reducidos por la campa?a de taladros de drenae realizados. (u espesor es variable.

9ona D.! $ineral masivo a diseminado por movimiento tectónico, se presenta poco dura a friable. En contacto con el piso se presenta diseminado con brec"a. 0eomecánicamente presenta valores %B= A -, %$% R 7-.

9ona E.! alor 0(T A >K$P. (us valores geomecánicas son similares al de la zona #, meorando su calidad conforme se alea de la brec"a mineralizada.

9ona ".! Uona de alteración de la caa piso. (us valores geomecánicas son similares al de la zona S.

4

La metodolog*a de cálculo actualmente usada es la de >erzag"i para el cálculo de la presión vertical del terreno y la formula de ProtodiaHonov para el cálculo de las presiones laterales, por considerarse que meor se adecua a las condiciones del terreno.

,.:6 DISE;O :' Metodolog0a de Ter2ag(i 6 >erzag" formuló el primer método racional de evaluar las cargas que aplica la roca sobre las cerc"as. Sasándose en su experiencia en t!neles ferrocarrileros de 3orteamérica. #abe resaltar que su aplicación se limita a estimar la carga sobre las cerc"as de acero en t!neles y no es aplicable en los métodos modernos de tuneler*a con aplicación de concreto lanzado 9("otcrete; y pernos de roca. >erzag"i mantiene que desde un punto de vista ingenieril, puede ser muc"o más importante un conocimiento del tipo y frecuencia de los defectos de la roca que del tipo de roca que va a aparecer en la obra. En esta clasificación se dividen los macizos rocosos en V tipos seg!n el grado de fracturación de la roca >abla 7. (e debe tener en cuenta la disposición de la estratificación respecto al t!nel desde el punto de vista de desprendimientos. +s* se tiene1 Estratificación Vertical, en general el tec"o será estable, existiendo riesgo de ca*da de

bloques en una altura de -.7G S 9S es la anc"ura del t!nel;.

-

Estratificación horizontal de gran potencia , con pocas untas, el t!nel es estable. Estratificación horizontal de pequea potencia o con muchas !untas,   ya no existe

estabilidad, desarrollándose roturas en el tec"o, formándose un arco sobre el t!nel, con una anc"ura igual a la del t!nel y una altura igual a la mitad de la anc"ura. Esta inestabilidad proseguirá su curso "asta que se detenga por medio de un sostenimiento. La distribución de las cargas para el dimensionamiento del sostenimiento se "ace suponiendo1 "resión uniforme #ertical $"#%,  sobre la bóveda, de valor1

Pv A 6p. W "resión uniforme horizontal $"h%, sobre las paredes, de valor1

P" A -.8 Pv "resión uniforme sobre la solera $"s%,  si la "ay, de valor1

Ps A -.G Pv Los valores de 6p 9carga de roca; se obtienen de la ta,la ? Las recomendaciones de >erzag"i son consideradas conservadoras para rocas de buena calidad y su campo de aplicación es para t!neles de tama?o mediano, "asta  m de anc"o. Es preferible no aplicarlos en terrenos de roca expansiva o que fluyen plásticamente.

Tabla N+ 0 N7

ESTADO DE #A ROCA

CAR$A DE ROCA @p %+>T2T#+=+ X E(B/T(>X(+

- a -.G S

8

$+(T+, LT0E%+$E3>E 2T(/%+=+

- a -.7G S

D

$E=T+3+$E3>E 2%+#>/%+=+ E3 SLXB/E(  +L0X +STE%>X(Y

-.7G S a -.8G 9S Z 6t; 3o "ay presión lateral.

%efuerzo escaso más que nada como protección contra desprendimientos. La carga puede cambiar en forma errática de un punto a otro.

--

G

$/@ 2%+#>/%+=+ E3 SLXB/E( @ L+( 2%+#>/%+( 9-.8G a 5.5-; 9S Z 6t; Poca o ninguna presión lateral.  +STE%>+(Y Presiones laterales considerables. Los efectos de las infiltraciones "acia el piso del t!nel requieren apoyo continuo para las partes baas de los marcos o bien marco circulares.

I

>X>+L$E3>E >%T>/%+=+( PE%X B/T$T#+$E3>E T3+L>E%+=+Y

5.5- 9S Z 6t;

F

%X#+ #X$P%T$T=+ P%X2/3T=T=+= $X=E%+=+

95.5- a 7.7-;9S Z 6t;



%X#+ #X$P%T$T=+ + 0%+3 P%X2/3=T=+=

97.5- a D.G-;9S Z 6t;

V

%X#+ E[P+3(T+

6asta 7G- pies, independientemente del valor 9S Z6 t;

#onsiderable presión lateral. (e requiere plantilla apuntalada. Es preferible usar  marcos circulares.

$arcos circulares indispensables. En casos extremos, use refuerzo elástico.

* Si el túnel está sobre el nivel freático, la carga puede ser re duc ida un 50 % pa ra los tip os 4- 6.

Cim,ra* De*li2ante* a6 De*cripci1n de lo* arco* cedente* Componente*  calidade* Los arcos deslizantes se componen de dos o tres secciones. Para los arcos de 7 secciones, ambas mitades deslizan uno respecto a la otra. En el caso de 8 secciones, la sección superior se desliza entre los elementos laterales. +proximadamente cada 5G d*as, los elementos tensores se afloan y los arcos se deslizan y convergen de esta manera, los esfuerzos se aminoran en ellos y se eliminan las deformaciones. Para el rango de los tama?os de las excavaciones de la mina %osaura, las cimbras deslizantes com!nmente utilizadas son1

TIO >63C75 >63C7V

CIMBRAS N7 9AS DIMENSIONES 7 7

8,-- x 8,78,-- x 8,7-

Las cimbras >63C75, perfil >oussaint y 6einzmann de 75 HgKm y de manera similar se explican los demás perfiles, siendo las cimbras deslizantes más robustas de %osaura la >63C8D que se utilizan para condiciones de carga mayores. Es decir en las zonas con peor condición de roca.

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>oussaint y 6einzmann dise?aron los primeros arcos deslizantes con los perfiles en forma de /. =espués de que terminó la patente se "an vendido otras formas de arcos deslizantes como los M0locHenM y los MHunstlerM con sección en 1 as* como solera de fierro que se colocan en la forma de /. Los arcos deslizantes "an ido desplazando a las cimbras r*gidas en la mina %osaura extendiendose su uso en un I- del total de cimbras utilizadas. 0eneralmente las encontramos en las labores de desarrollo.

rocedimiento de in*talaci1n. El procedimiento y las consideraciones de seguridad para la instalación de las cimbras deslizantes son muy similares a las indicadas para las cimbras r*gidas. La diferencia radica que estas cimbras usaran abrazaderas y pernos que unirán a las partes adyacentes traslapadas, y no solo será suficiente pernos y tuercas como en el caso de las cimbras r*gidas.

Control de calidad Los parámetros que se deben tener en cuenta para la perfecta colocación son los siguientes1 Las cimbras deben estar completamente verticales, aceptándose una inclinación máxima de N 8O con respecto a la vertical. Las cimbras se deben instalar de manera perpendicular al ee de la labor. (i los perfiles supuestos son paralelos, el deslizamiento queda asegurado, y las dimensiones del cuadro colocado serán las correctas. Por el contrario si los perfiles superpuestos no son paralelos, puede suceder que le cuadro abra la boca "acia fuera o "acia adentro. En el primer caso la distancia entre los pies del cuadro es menor, en el segundo caso, la distancia entre los pies del cuadro es mayor. (olape adecuado en las uniones. En cuanto a la longitud del solape, "ay que tener en cuenta, que si es la correcta, los cuadros tendrán dimensiones previstas. (i la superposición es menor de la debida, la distancia entre los pies será menor que la prevista, si la superposición es mayor que la prevista, la distancia entre los pies será mayor.  +priete adecuado en las grapas de unión. #olocado el cuadro con las dimensiones correctas, es necesario atornillar  fuertemente las grapas.

-

%esistencia conveniente del conunto, que depende de que estén colocados todos los tirantes o distanciadores. (e recomienda de manera general el empleo de distanciadores de cuadro a cuadro. =eben colocar a una distancia suficiente de las grapas para que no interfieran en el deslizamiento normal de los cuadros. 3o colocar nunca distanciadores sobre las grapas de los cuadros. Estrec"o o apretado contacto entre la cimbra y el contorno de la roca a la cual soporta en todo su per*metro, a fin de desarrollar tempranamente su capacidad de sostenimiento, antes de que ocurran deformaciones significativas "acia el interior de la excavación. La supervisión de la mina no aprobará ninguna cimbra que esté mal cimentada, no conserve su verticalidad ni su alineamiento asimismo, si éstas no se encuentran correctamente topeadas a la superficie de la roca.

,6 Di*e8o de arco* de*li2ante* /na de las cuestiones más importantes es la elección del tipo de cuadro más conveniente. Existen una serie de factores que afectan al tipo de cuadro a escoger tales como la litolog*a, buzamiento de las capas, vida !til que se prevé de la galer*a etc. @ como consecuencia de esos factores se puede acudir a diferentes tipos de cuadro en función de1 JgKm de acero 3O de elementos del cuadro =isposición de los elementos 9simétrico o asimétrico; #onvergencia de las patas del cuadro, Etc.

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Eemplo* de Aplicaci1n. C+lclo e*timado de lo* arco* r0gido*. =eterminación =e La #arga =e %oca (e determinará la carga que deben soportar las cimbras para cada zona geomecánica antes definida. (e calcula por1

)  @p  e

-0

(  4.F  ) Pe A Peso Espec*fico 9ton Km8; 6p A +ltura de carga 9m;

9ona “A”' 9(iendo S y 6t, el anc"o y la altura de la labor respectivamente; 6p A -.7G x 8.7 A -. m Pe A 7,G >onKm8 Pv A -. x 7.G A 7 >nKm7 P" A -.8 x 7 A -.I >nKm7

t  d  @p  e Pt A 5 x -. x 7.GPt A 7 tonKm

9ona “B”' 6p A -.8G x 98.7 Z 8.7; A 7.7D m Pe A 7,G >onKm8 Pv A 7.7D x 7.G A G.I >nKm7 P" A -.8 x G.I A 5.I >nKm7

t  d  @p  e Pt A 5 x 7.7D x 7.G Pt A G.I tonKm

9ona “C”' 6p A 5.5 x 98.7 Z 8.7; A F.- m Pe A 7.G >onKm8 Pv A F.- x 7.G A 5F.I >nKm7 P" A -.8 x 8-.V A G.7 >nKm7

t  d  @p  e

-1

Pt A -.G x F x 7.G Pt A .FG tonKm

La distribución de cargas sobre el t!nel para el dimensionamiento del sostenimiento se "ace suponiendo1 Presión uniforme vertical sobre la bóveda

)  G.( Presión uniforme lateral.

(  G. nKm7

9ona “C”' b A +nc"ura de la labor A 8.7 m m A +ltura del t!nelA 8.7 m f A#oeficiente de resistencia A 5.W A peso especifico de la roca A 7.G >nKm 8

-3

\A ángulo de rozamiento internoA5 -.7O 9seg!n rocLab; S A b Z 7m.tg 9DG C \K7;A .G " A SK7fA D.7F Pv A W." A V.D >nKm 7 P" A 5.G >nKm7

COSTO DE INSTA#ACIÓN El método (ub Level #aving se encuentra en el orden n4 D dentro del ordenamiento por  costos de los métodos de minado, con un costo que var*a de I a 57 ]Kt.

M%TODOS DE EL#OTACIÓN ORDENADOS OR COSTOS

En la mina %osaura el costo del sublevel caving es de .F7 ]Kt. gracias rendimiento óptimo del sostenimiento. (in embargo inicialmente en el a?o 7--D estos costos ascend*an a 55.VG ]Kt siendo el costo más alto en la "istoria de la mina %osaura. #omo se observa en el gráfico siguiente los costos de mina fueron descendiendo en el tiempo. (iendo esto consecuencia de la reducción de costos en sostenimientoC %eforzamiento.

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Los costos de sostenimiento en %osaura se elevan debido al uso de cimbras en el - de las labores de interior mina. En el cuadro siguiente se muestra la disminución gradual de los costos de sostenimiento y refuerzo. La metodolog*a para aplicar el sostenimiento, nos permiten dar a nuestras labores el sostenimiento usto y necesario, eligiendo el tipo y calidad de cimbra adecuada a la calidad de roca y al tipo de labor. Esto nos "a llevado a disminuir gradualmente los costos. La disminución de costos en el reforzamiento es consecuencia directa de un adecuado monitoreo de convergencias que nos permite dar el reforzamiento adecuado, necesario y oportuno de acuerdo al tiempo de vida de las labores.

+

+-

NOTA' El sistema de trabao es de tres guardias por d*a.

++

NOTA' El sistema de trabao es de tres guardias por d*a.

+

CONC#USIONES #uando un labor es excavado en zonas sin co"esión, resulta imprescindiblemente y necesario instalar cimbras metálicas en calidad de soportes temporales con la finalidad de conservar la sección de excavación. Los costos y riesgos en trabaos, están relacionados directamente y dependen primordialmente de las condiciones de la roca pudiendo estar intacta, fracturada o descompuesta recurriendo para cada grado de alteración de la roca, a su correspondiente tipo de soporte, sin crear sobredimensionamientos y evitando el encarecimiento de las obras. En zonas de mala calidad de roca, normalmente se recurre a la instalación de cimbras metálicas, complementarias con c"apas metálicas acanaladas como una posibilidad de garantizar la seguridad de la excavación. La decisión para instalar cimbras metálicas debe ser el !ltimo recurso con el que debe contar. Para rocas de la zona # con condición "idrológica "!meda, se puede alcanzar una convergencia rápida de "asta 5D.7 cm en un tiempo de 5 a 7- d*as. Por !ltimo, no debemos olvidar que el meor sostenimiento no es el más caro ni el que meor acero tenga, sino el que más se adecua a las condiciones presentes del terreno y debe responder a variables técnicas y económicas, garantizando la vida !til que le "a sido asignado a la labor minera. Es decir, el necesario y suficiente para obtener una labor segura y confiable considerando todos los parámetros que originan nuestro método de explotación.

RECOMENDACIONES Cim,ra* r0gida* entaa*' Las cimbras r*gidas son mas rápidas de instalar que las cimbras deslizantes. Por su forma de viga, ayuda a empaquetar y desempaquetar las maderas las cimbras, muy importante en la zona de mineral 9zona=;.

De*)entaa*' 3o son propicias para zonas de altas deformaciones de campo por expansividad y presiones de carga ya que las deslizantes poseen meor performance.

+/

Cim,ra* De*li2ante*' entaa*' (on propicias para zonas de altas deformaciones de campo. En los =P^s tienen mayor tiempo de deformación que las cimbras r*gidas, manteniendo un mayor tiempo el anc"o critico de la sección.

De*)entaa*' Xperativamente demora más su instalación. =ificultad para empaquetar y desempaquetar las cimbras, por lo tanto, no es aconseable su instalación en la zona de mineral 9zona =;. En general se tiende a ir a cuadros de 7V HgKm 9frente a los cuadros de 75 HgKm, no obstante el tiempo de vida de la galer*a puede "acer !tiles cuadros de menor  peso por metro;.

+0

Bi,liogra&0a

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