Sostenimiento Con Pernos

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Introducción: El empernado es una técnica de sostenimiento que, es esencia, consiste en anclar en el interior de las rocas una barra de material resistente que aporta una resistencia a tracción y, confinando al macizo rocoso, permite aprovechar las características resistentes propias de las rocas facilitando así su sostenimiento. La primera aplicación del bulonaje, como técnica de sostenimiento en minería. Se produjo a principios del siglo en los estados unidos de América y fue en la St Joseph Lead Compañía, mina metálica situada en las cercanías del Missouri. En la actualidad las aplicaciones del bulonaje en la obra civil son muy variadas, tanto en el exterior como en subterráneo, y en los últimos años se han producido desarrollos muy importantes, tanto conceptuales como tecnológicos, que han hecho del bulonaje una técnica indispensables para el sostenimiento de las excavaciones subterráneas como son los pernos Swellex y los Split set. En general, los pernos Swellex fortalecer la masa de roca a través de una combinación de la fricción y el enclavamiento mecánico en la interface roca-perno. El mecanismo de anclaje del perno Swellex es en realidad diferente en rocas duras y blandas. En el rock duro, la tensión de contacto secundaria, inducida por el bloqueo mecánico de las asperezas en la pared del pozo, juega un papel importante en el anclaje, mientras que la tensión de contacto primario, creado por la expansión del perno no contribuye mucho. Sin embargo, en rocas blandas, es la fricción, y por lo tanto la tensión de

contacto principal, que determina la capacidad de anclaje del perno. Los Split set desde que fueron puestos en el mercado desde la década de los 70 y 80’s en la cual se usaba de manera masiva madera para el armado de cuadros de madera y/o puntales a la fecha la tecnología del sostenimiento ha cambiado drásticamente. Actualmente el perno estabilizador de fricción “Split Set” se ha convertido en el sostenimiento más usado en las operaciones mineras. Sin embargo, existe mucha desinformación al mismo de parte de nuestros colaboradores, razón por la cual he compilado valiosa información a lo largo de mi carrera profesional y de muchas personas que han apoyado al mismo. Objetivo de la presente guía:  Difundir la correcta instalación del perno Split set.  Determinar en qué calidades de macizo rocoso.

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Concepto del trabajo de los pernos. Inicialmente los pernos están asociados a suspender un nivel rocoso, poco competente, de otro más resistente, además de ejercer un papel de suspensión de rocas sueltas podía ejercer un cierto papel de consolidar terrenos descomprimidos, tal como se ilustra en la fig.1. Figura1. Principio de acción de un perno; 1. Cabeza de un anclaje, 2. Barra, 3. Extremo roscado, 4. Placa de reparto, 5. Tuerca de apretamiento, 6. Zona de terreno resistente, 7. Terreno descomprimido a soportar o consolidad.

Anclajes de bloques. El concepto de anclaje de bloques se deriva directamente del planteamiento inicial del perno y se basa en que cada perno debe estar anclado, a lo largo de una longitud suficiente para agotar la carga axial que la barra del perno puede soportar, y su densidad, expresada por el numero de pernos por cada m2 de superficie de roca a sostener, debe ser suficiente para equilibrar el peso de la roca que debe ser suspendida. En la figura 2. Se presenta un esquema para calcular el bulonaje teniendo en cuenta su efecto de suspensión. El máximo peso que puede soportar un perno esta dado por la expresión: W= F.s.c.h.ρ Siendo: F = coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3. S = espaciado transversal de los pernos. C = espaciado longitudinal de los pernos. H = espesor de los estratos de roca que deben ser anclados. Ρ = densidad de la roca. E modelo de la figura 2 tiene escasa utilidad ya que es poco frecuente que, en la práctica, se dé una situación como la contemplada por él.

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Más habitual es el caso que se ilustra en la fig.3.A que corresponde al anclaje de un bloque de roca, en la hipótesis de que no exista cohesión en las juntas que individualizan el bloque y en el caso de que si se considere la fuerza resistente que genere la cohesión. Si no hay cohesión entre las juntas, el número de pernos que deberá colocarse para sujetar un bloque estará dado por la expresión:

N= Donde: N= numero de pernos. W = peso del bloque de roca. F = coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3. B = fuerza vertical que es capaz de soportar un perno. En el caso del anclaje del bloque de roca ilustrado en la fig. 3.B, el numero de pernos que es necesario colocar estar definido por la expresión:

N=

(

) (

)

En este caso: N = número de pernos, colocados con una inclinación α (°). W = peso del bloque de roca. F = coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3. Φ = Angulo de fricción en la superficie de la junta, de inclinación β. C = cohesión en la superficie de la junta de inclinación β. B = fuerza vertical que puede soportar un perno. A = longitud de la junta afectada por el deslizamiento. En las aplicaciones reales resulta mucho más efectivo que aplicar estas expresiones, utilizar un programa de ordenador que permite realizar cálculos, más complejos y realistas, con mayor rapidez y eficiencia. Pernos en terrenos plastificados. El perno en terrenos plastificados es preciso hacer una distinción sobre su espesor en torno a la excavación que se desea sostener. La mayor parte de las veces el espesor de lo terrenos que plastifican, como consecuencia del reajuste tensional que sigue a una excavación, es inferior a 2 m. En estas circunstancias, que se ilustra en la Fig.5. Este puede ser considerado como un caso particular de la suspensión de un nivel rocoso a otro más resistente que se ha tratado en el apartado anterior.

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Fig. 5 pernos en terrenos moderadamente plastificados. La carga que es capaz de admitir un perno está limitada por el valor de la fuerza axial que es capaz de soportar la barra del perno y por la fuerza de soportar de barra del perno y por la fuerza de adherencia que se genera entre la unión del perno con el terreno. La fuerza axial. FA, que puede soportar la barra del perno se calcula fácilmente por la expresión:

FA =

.σA

Donde: D = diámetro del perno. σA = resistencia especifica del acero. En los casos normales de construcción, con un límite elástico de 500MPa, el límite de rotura se alcanza para un valor aproximado de σR = 500 MPa. En estas circunstancias un perno de 25 mm de diámetro soportara una fuerza a la rotura de unas 26.6 t. La fuerza de adherencia, FT, que se puede conseguir en un perno de anclaje repartido se calcula por la expresión:

Ft = π.D.L.t Donde: D = diámetro del perno. L = longitud anclada del perno. t = adherencia del perno al terreno. Si admitimos que la interfaz bulón-terreno tiene una cohesión c y un ángulo de rozamiento Φ, la tensión tangencial, t, que podrá generarse, admitiendo un comportamiento de MohrCoulomb, valdrá:

t = c + σ.tgΦ Donde σ será la tensión circunferencial que se genera en el terreno tras la apertura de la excavación, supuesto que los pernos están colocados radialmente. Si el terreno al plastificar está en condiciones residuales, lo cual significa que ha tangencial que podrá soportar el perno valdrá:

t = σ.tgΦ Esta expresión indica que en un terreno plastificado que ha perdido su cohesión se puede conseguir una adherencia perno-terreno, esto supone que, para agotar la capacidad de resistencia de la barra del perno, la longitud de anclaje tendrá que ser mayor cuando el perno esta anclado en un terreno que plastifique intensamente. En la fig. 6 se ilustra el efecto de los pernos en un terreno intensamente plastificado, que se concreta en forma un arco de roca plastificado alrededor de la excavación. Figura 6. Pernos en un terreno intensamente plastificado.

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En el momento actual, la mejor forma de calcular las cargas a las que están sometidos los pernos de sostenimiento es mediante un análisis tenso-deformación mediante un modelo de elementos finitos. Para que los cálculos se acerquen lo máximo posible a la realidad, es necesario que los programas de cálculo incorporen elementos estructurales que puedan simular lo más fielmente posible la interacción entre el perno y el terreno. Figura 7. Rigidez tangencial y axial de un perno.

Para calcular la rigidez axial, ka, se puede utilizar la expresión:

Ka = Donde: Eb = modulo de elasticidad de la barra de acero del perno. D = diámetro del perno. L = longitud del perno. Por otro lado, la rigidez tangencial kb puede obtenerse mediante ensayos a tracción in situ sobre pernos cortos, tal como se indica en el epígrafe 4.4.1.2 ya que se cumple que :

FT = kb.Ua.L Donde: FT = fuerza de adherencia del perno. Ua = desplazamiento del perno hasta deslizar. L = longitud del perno. En el momento actual con los cálculos tenso-deformacionales se obtiene una información razonable, en la mayoría de los casos prácticos, sobre la distribución de las cargas en los pernos de sostenimiento.

Comportamiento de los pernos sometidos a desplazamientos cortantes. Habitualmente se considera que los pernos sostenimiento están sometidos básicamente a esfuerzos axiales; pero en los terrenos estratificados y resistentes, con un régimen elevado de presiones, esto no es así y, de hecho, los mayores desplazamientos se producen en dirección de las discontinuidades produciendo un efecto de corte muy acusado. En la fig. 10 se ilustra el proceso de carga de un perno sometido a desplazamiento cortantes, cuyo mecanismo está regido por la acumulación del desplazamiento en el contacto entre el perno y la discontinuidad, que produce un efecto cizalla. En este caso solo una pequeña parte de la longitud del perno se muestra activa durante el proceso de carga.

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Tecnología de anclaje. En perno esta constituido por un elemento resistente, solidarizado al terreno por un sistema de anclajes y por una placa de reparto. En los apartados siguientes se presentan las características tecnológicas de los elementos de los pernos actualmente disponibles. Sistema de anclajes. Tradicionalmente los pernos se han clasificado en función de que su anclaje al terreno se materializara en un extremo, anclaje puntual, o a lo largo de toda la barra del perno, anclaje repartido. Es lógico clasificar los sistemas de anclajes según el mecanismo en el que se fundamentan adherencia y fricción. Anclajes por fricción. Una característica común a los anclajes por adherencia, ya sea con resina o cemento , es que le perno anclado tiene una rigidez muy superior a la del terreno circundante. Esto puede plantear serios problemas, llegando a producirse la rotura del perno, si la excavación debe sufrir una plastificación importante como consecuencia del reajuste tensional, después de colocados los pernos. Los anclados por fricción, también denominados mecánicos, minimizan este problemas, aunque también tienen inconvenientes, tal y como se describen en los apartados siguientes.

anclajes con elevada presión de contacto. A este tipo pertenecen los primitivos pernos de anclaje puntual en el cual el anclaje tal como se conseguía a base de expandir unas piezas metálicas que penetraban en el terreno. Este sigue siendo el anclaje que más se utiliza a escala mundial, pero sus aplicaciones se restringen exclusivamente a la minería y es muy poco usado en la obra civil. Las cabezas de anclajes actualmente comercializadas difícilmente aseguran más de 20 t de fuerza axial y su diámetro es del orden de 35 mm. Mientras que el diámetro de la barra del perno suele estar comprendido entre 16 y 25 mm. Es un sistema de anclaje muy barato, totalmente mecanizable en su colocación y que presenta la gran ventaja de la lata deformación que es capaz de asumir antes de la rotura, que es dl orden del 14% y se corresponde con la del acero de la barra del perno que no tiene restricciones en toda su longitud. En cuanto a sus limitaciones hay que señalar el bajo nivel de fuerza axial que puede soportar, la gran sensibilidad de la calidad del anclaje al diámetro de perforación y la

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importancia perdida de carga que se produce al poco tiempo de colocados, debido, sobre todo, al efecto de las vibraciones. Anclajes con baja presión de contacto. Los anclajes de baja presión de contacto son una generalización de los anclajes mecánicos al anclaje repartido y. en el momento actual, están representados por los pernos tipo Splitset y Swellex. Ambos tienen en común la particularidad de trabajar por fricción, lo cual les permite mantener la carga máxima con unos desplazamientos muy importantes.

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Pernos Split set: DEFINICION DE PERNO SPLIT SET También llamados “tubos estabilizadores de fricción”. Estos elementos de sostenimiento trabajan a lo largo del tubo por fricción cuando son introducidos en un taladro de menor diámetro.

Figura: Modelo de anclaje del Split set.

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Modelo de anclaje del Split set.

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ESPECIFICACIONES TECNICAS

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TIPOS DE MACIZO ROCOSO EN LOS CUALES PUEDEN SER INSTALADOS

Tipos de Split set: Estabilizadores SS-33 Especificaciones y el rendimiento El estabilizador Split Set es un tubo de acero con ranuras, con un extremo cónico para facilitar la inserción en un taladro agujero. El otro extremo tiene una brida de anillo soldado al mantener la placa de apoyo. El estabilizador se inserta en un agujero poco más pequeñas en diámetro que el tubo, usando una simple herramienta de conductor montado en el taladro. A medida que el tubo entra, su de diámetro se comprime y se parte de la ranura se cierra. Esto ejerce una fuerza

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radial a lo largo de contacto con la roca, proporcionando la fricción que tiene el rock junto. La fuerza motriz de la fresa activa las cargas de la placa de apoyo contra la roca. Establece Rollforms'Split Internacional cuentan con un patentado "Indexación Ring" feature.This permite Para determinar la duración de un conjunto de Split instalado. Tubos y placas estándar están disponibles o galvanizado, realizadas de conformidad con ASTM F 432-95 en su caso. Estampados código en el tubo de mostrar su tamaño, fecha y lugar de fabricación, y mucho calor de acero

Estabilizadores SS-39

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Estabilizadores SS-46

FORMA ADECUADA DE INSTALACIÓN • Definir si será sistemático o puntual (ocasional) la instalación. • Ventilar y desatar la zona a sostener. • Marcar la ubicación de los pernos. Perforar el taladro (siempre debe ser un poco más largo que la longitud del Split set.

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• Introducir el Split set con la ranura hacia abajo, colocar el adaptador (culatin) y empujar con la máquina perforadora. Tener en cuenta que la maquina tiene que estar alienado completamente con el Split set.

CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD: • Taladro perforado, Split set instalado (no acumular taladros). • El desatado es continuo, debido que la máquina perforadora produce vibración el cual puede causar desprendimiento de rocas. • La dirección de los pernos Split set deberán ser perpendiculares a la caja que se desea sostener. • Solamente personal entrenado está en la capacidad de instalar este tipo de pernos.

FORMAS INCORRECTAS Y CORRECTAS DE INSTALAR UN PERNO SPLIT SET: Primer caso:

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Segundo caso:

Tercer caso:

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Cuarto caso:

Quinto caso:

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CUANDO NO UTILIZAR UN PERNO SPLIT SET: • En rocas intensamente fracturadas o macizos rocosos malos (tipo IV).

• En zonas donde existe aguas acidas, el cual corroería el Split set rápidamente.

• En zonas donde existe cuñas de gran peso (en dicho casos se recomiendan pernos helicoidales).

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MÉTODOS PARA DETERMINAR LA LONGITUD DE UN PERNO: Existen muchos criterios para saber la longitud adecuada del perno Split que debería usar en la labor minera. Algunas de ellas la citamos a continuación. A) - la profundidad de las capas (X) a soportar, longitud del perno (L) = X + .75 m a 1.0 m B) - dimensión de los bloques (X) a soportar, longitud del perno (L) = X + .75 m a 1.0 m C) - L \ E = X por L = longitud del perno, E = espaciamiento de los pernos, X = 1.2 a 2.0 D) - L = X + (0,18 x W) por L = longitud del perno, W = tamaño de la apertura en metros, X = 1,4 a 3,0

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CONSIDERACIONES TECNICAS: • Son utilizados generalmente de uso temporal. • Son considerados sostenimientos de tipo Activo (trabajan inmediatamente después de instalarlos en el macizo rocoso. • La diferencia de diámetro entre el Split set y el taladro es importante. Si es menor, el Split set no trabajara adecuadamente, si es mayor, el Split set puede doblarse en el momento de la instalación.

RECOMENDACIONES GEOMECÁNICAS (SISTEMÁTICO Y PUNTUAL): En esta sección se explicara cómo aplicar las distintas recomendaciones geomecánicos: SPLIT SET SISTEMATICO: Se distribuyen los pernos Split set a una distancia determinada según la recomendación del Dpto. de Geomecánicos. Al realizar esta práctica se genera el “efecto de arco” en el macizo rocoso.

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Tener en cuenta si al pintar la ubicación del perno cae en una fractura, se deberá mover a una zona más adecuada.

Existen dos formas de distribución sistemática: A) Tipo Rombo:

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B) Tipo Cuadrado:

SPLIT SET PUNTUAL O OCASIONAL: Se colocara Split set solamente donde se requiere. Generalmente para sostener cuñas o bloques de rocas.

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Ventajas de Usar el conjunto de Split ® Fricción Rock estabilizador                      

Instalación rápida y sencilla. reduce los costos de pernos Apoyo ceden Apoyo inmediato Mantiene el apoyo, incluso si la placa de asiento es derribado Probado por millones de instalaciones Sin mezcla, sin presurización La inspección visual Mantiene la presión de la placa No se necesita equipo especial No apriete o volver a apretar Cargas de compresión en la roca Aumenta el agarre con los cambios de rock Apoyo activo axiales y radiales La concentración de tensión mínima Diseño sencillo De acero liso, galvanizado o acero inoxidable Efectiva en cualquier ángulo Won.t agujero sobreesfuerzo Asistencia técnica por personal experimentado Malla de una instalación más fácil Un estándar mundial de calidad No hay límites de vida útil

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Pernos Swellex El Swellex es un tipo de perno de anclaje que fortalece la masa de roca a través de una combinación de la fricción y el enclavamiento mecánico en la interface roca-perno. El uso de la Swellex ha crecido rápidamente en un ámbito en todo el mundo durante los últimos años, no sólo en rocas duras (de alta resistencia y deformación de alto módulo), sino también en las rocas blandas (de baja resistencia y módulo de deformación bajo). PRINCIPIOS DE TRABAJO Pernos de anclaje Swellex fueron introducidas por Atlas Copco en la década de 1980 (Wijk y Skogberg, 1982). El perno Swellex está hecho de un tubo de acero doblado de pared delgada. Los bujes se presionan sobre los dos extremos del tornillo, que luego son sellados mediante soldadura. El casquillo inferior tiene un pequeño agujero a través del cual el agua se inyecta en el tornillo, en de alta presión para ampliar el perno. Durante el proceso de expansión, el perno Swellex comprime la roca que rodea el agujero y se adapta a su forma para adaptarse a las irregularidades del pozo, ver Figura 1. Después de la instalación se lleva a cabo el perno en el agujero por el estrés de contacto entre el perno y la perforación debido a la recuperación elástica del material de la roca, así como el enclavamiento mecánico debido a la rugosidad del pozo (Stillborg, 1994).

Figura 1. Dibujos que ilustran el perno Swelllex y la interacción entre la roca y el perno Swellex: (a) El perno Swellex se coloca en el agujero, (b) El perno se expande en agua a alta presión, (c) La presión del agua es liberada y el a los contratos de rock, ofreciendo así el efecto de bloqueo Swellex. Después de Stillborg (1994). El efecto de refuerzo de los pernos Swellex puede ser representado por su resistencia al arrancamiento, Fpull, expresada como la carga de la retirada por metro. El fallo de la unión entre el rock y el perno Swellex es en forma de deslizamiento a lo largo de las asperezas en la pared del pozo, y / o en forma de rotura de las asperezas. La resistencia al arrancamiento se expresa generalmente como:

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Donde Rf se refiere a la resistencia a la fricción en la interface roca-perno, y S a la fuerza total de las asperezas desprenda. Expresión (1) significa que la resistencia al arrancamiento Ftraccion es el más pequeño entre los Rf y S. Los términos Rf y S se puede expresar, respectivamente, como:

y

Donde d = diámetro de la perforación, q1 = la tensión de contacto principal en la interface roca-perno, creado por la instalación, q2 = la tensión de contacto secundario, inducido por el bloqueo mecánico, υ = ángulo de fricción entre la roca y el perno, i = la rugosidad (o dilatación) el ángulo de la pared del pozo, τ = la resistencia al corte de la roca, A = el área total de todos cortados por encima asperezas. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA SWELLEX:

Figura características de los pernos Swellex (Atlas copco)

LA EXPANSIÓN DEL SWELLEX EN LA PERFORACION Con el fin de lograr un refuerzo efectivo el perno Swellex debe cumplir dos requisitos: en primer lugar, un esfuerzo de contacto principal debe establecerse entre la pared del pozo y el perno, en segundo lugar, el perno debe ajustarse plenamente a las irregularidades en la pared del pozo después de la expansión. El primer requisito es para mejorar el anclaje de fricción del tornillo, mientras que el segundo es lograr un enclavamiento mecánico. La tensión de contacto principal se construye debido a la diferencia entre la rigidez del perno y la del pozo. Al considerar la recuperación elástica del pozo, así como la del tubo del perno,

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la expresión de la tensión del contacto en la pared del pozo se obtiene como (Håkansson y Li, 1997):

Donde K = la rigidez radial del perno, Kf = la rigidez radial del anillo de tubo, Kb = la rigidez de la lengua Swellex (ver Figura 2). Es una función del grado de expansión de la saeta. Kr = la rigidez de la roca,

q1 = la tensión de contacto principal en la interface roca-perno, Ppm = la presión máxima de la bomba, Pi = presión del pozo, es decir, la presión sobre la pared del pozo durante la instalación del perno, t = espesor del tubo de tornillo, ri = radio del pozo, Es = el módulo de Young del acero, Er = el módulo de Young para el rock, νs = la relación de Poisson para el acero, νr = relación de Poisson para el roca. Expresión (4) significa que la tensión de contacto primario en la pared del pozo es una función de la rigidez de la roca y la de los pernos Swellex. La rigidez de la Swellex depende de la longitud de la lengua perno, una lengua corta que resulta en una alta rigidez. Por lo tanto, el Q1 de esfuerzo de contacto primario es también una función del grado de expansión. Figura 3.

Figura 2. La relación entre el coeficiente de rigidez Kb y la longitud de la lengua Swellex.

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Figura 3. Tensión de contacto primario en comparación con la expansión del perno Super Swellex. Valores de los parámetros utilizados para el cálculo: Es= 210 GPa, Er = 10 GPa, Ppm= 30 MPa, Pi= 15 MPa. Muestra un ejemplo que ilustra la relación entre la tensión de contacto y la longitud de la lengua. Rendimiento en las rocas duras y blandas La tensión de contacto primario depende el módulo de Young de la roca en roca dura, pero en rocas blandas que depende tanto el módulo de Young y la fuerza de la roca, ya que ceder puede ocurrir en un área limitada alrededor del pozo durante la instalación. A modo de ejemplo, la Figura 4 se muestra la solución teórica de la tensión de contacto primario cuando el módulo de Young de la roca es variable. En los cálculos, se supone que el módulo de Young se refiere a la resistencia a la compresión uniaxial (en rocas blandas) por Er = 80σc1.4 (Aydan et al., 1995). Los principales incrementos de esfuerzo de contacto con el módulo de Young en rocas blandas, mientras que en rocas duras que disminuye. Se puede observar que se encuentra en rocas relativamente blandas que las altas tensiones de contacto primario se alcanzan. Como se dijo antes, el anclaje de los pernos de anclaje Swellex se logra mediante una combinación de la fricción y el enclavamiento mecánico entre la pared del pozo y el perno. En rocas blandas las asperezas en la pared de sondeos son aplastados durante la instalación del perno o desprenda después, cuando se producen movimientos relativos entre el pozo y el perno. Esto significa que el enclavamiento mecánico que hace sólo una pequeña contribución para el anclaje de

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Figura 4. Tensión de contacto primario en comparación con el módulo de Young de la roca en roca dura. Valores de los parámetros utilizados en los cálculos para el Super Swellex: D=54 mm, t=3 mm, b = 10 mm, Es = 210 GPa, νs = 0.3, νr = 0.2, Ppm = 30 MPa, Pi = 15 o

MPa, υ = 30 . El perno, pero es la fricción que desempeña el papel principal en este caso. La fricción es directamente proporcional a la tensión de contacto primario en la pared del pozo. Por lo tanto, la tensión de contacto primario es de vital importancia para mejorar el anclaje de los pernos Swellex en rocas blandas. En rocas duras, sin embargo, las asperezas en la pared del pozo estén cortados con gran dificultad, y por lo tanto el enclavamiento mecánico desempeña un papel importante en el anclaje. Se puede observar en la Figura 4 que la tensión de contacto principal es bajo en rocas duras. A la tensión de contacto secundaria tiene que ser proporcionada con el fin de mejorar el anclaje de los tornillos. Esta tensión de contacto secundario se logra cuando el tornillo tiende a deslizarse sobre las asperezas de la pared del pozo, en rocas duras. Supongamos que la rugosidad (o dilatación) el ángulo de la pared del pozo i, véase la Figura 5. La contracción radial, u, del tubo de tornillo está relacionado con el movimiento axial de los pernos, x, de la siguiente manera:

Figura 5. Una ilustración esquemática que muestra el enclavamiento mecánico entre la pared del pozo y el perno Swellex. Por otro lado, se sabe de la teoría de la elasticidad que la contracción radial del perno dará lugar a una tensión resistente radial, es decir, la tensión de contacto secundario, q2. La relación entre el desplazamiento radial y la tensión de contacto secundario viene dada por:

La combinación de las dos expresiones anteriores, se obtiene la expresión para la Q2 como:

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Echemos un vistazo a la contribución de la rugosidad de la pared del pozo a la tensión de contacto secundario con un ejemplo. Supongamos que un Súper Swellex perno se instala en un pozo con la ri = radio de 24 mm. El ángulo de la rugosidad de la pared del pozo se supone que es i = 1°. El cálculo utilizando expresión (7) muestra que el esfuerzo de contacto q2 secundaria puede ser de hasta 0,9 MPa sólo con un movimiento axial relativo de 1 mm entre el perno y la pared. La figura 6 ilustra la relación entre la tensión de contacto secundario, el ángulo de la rugosidad de la pared, y el diámetro de la perforación. Se puede concluir que, en rocas duras no es la tensión de contacto primario, pero la tensión de contacto secundario, que domina la capacidad de anclaje del perno Swellex. Por esta razón, la pared del pozo debe ser duro lo suficiente como para inducir una tensión de contacto secundaria, siempre y cuando el tornillo está sometido a una carga axial retirada.

Figura 6. Tensión de contacto secundaria en comparación con el diámetro de la perforación en ángulo diferente rugosidad durante un movimiento de 1 mm axial del perno Swellex.

CARGA IN-SITU. La carga ejercida sobre los pernos de roca in-situ es causado por deformación de las rocas. La distribución de la tensión de corte y también la carga de tracción axial a lo largo de toda la longitud del perno de anclaje se puede calcular sobre la base de la deformación de las rocas (Li y Stillborg, 1997). El proceso de carga es la misma para todos los tipos de pernos de anclaje, pero la característica del perno Swellex es que el esfuerzo cortante en el perno se puede mantener en el nivel de la resistencia al corte final cuando se activa de deslizamiento en la interface roca-perno. En esta etapa la capacidad de anclaje máximo del perno Swellex se alcanza. Como se ilustra en la Figura 7, el esfuerzo cortante en el perno se dirige hacia la pared del túnel en la parte cercana a la pared, mientras se dirige hacia la dirección opuesta en la parte situada más al interior de la roca. La carga máxima de tracción axial en el perno se produce en el punto neutro donde el esfuerzo cortante en el perno es cero. Es la longitud de anclaje del tornillo que determina la carga axial máxima. Cuando la deformación de las rocas es lo suficientemente grande, deslizamiento puede ocurrir en la sección de anclaje del perno, es decir, a lo largo de la longitud de anclaje del perno.

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Figura 7. Un dibujo que ilustra el esfuerzo cortante y la carga de tracción axial a lo largo del perno Swellex con una placa de la cara, que corresponde a la capacidad de anclaje máximo del tornillo.

CAPACIDAD En contraste con los tipos tradicionales de tornillos, una cantidad limitada de movimiento de deslizamiento en la pared del pozo no tiene el anclaje de los pernos Swellex no, pero por el contrario, puede activar la capacidad de carga completa del perno. La evidencia de esta afirmación se muestra en la retirada pruebas en el último nido de carga del perno Swellex se mantiene constante, incluso después de un desplazamiento largo. En este caso la resistencia al corte de la interfaz de perno de anclaje se moviliza a lo largo de toda la longitud del perno. Esta característica del perno Swellex, lo que significa que puede tolerar un desplazamiento largo, sin pérdida de su compañero en última capacidad de carga, lo hace único en la estabilización de las masas de roca con grandes deformaciones. El óptimo desempeño del perno Swellex debe ser que el perno de diapositivas, en lugar de las rupturas, en el caso de deformación de las rocas de gran tamaño. Esta actuación exige que la longitud de anclaje del perno tiene un límite que depende de la resistencia de la unión, por lo tanto la tensión de contacto total, en la interface roca-perno. En el caso de que las asperezas en la pared del pozo no estén cortados, existe un criterio general para determinar la longitud de anclaje del perno es: Max. Retirada de la carga en el perno Proca .q.A.( l-lmax En nuestro caso. Ps = 110 kN = 11 tn Proca = 2.5 tn/m3

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L = 3m. Lmax = 0.55 m g = 9.81m/seg2 A = área a sostener. Calculando. 110 = 2.5 x 9.81 x A (3-0.5 Despejando. A = 1.83 √A= 1.35 m Caso de tajeos en producción. Caja techo. Caliza negra estratificación plana. Fallada y con una potencia de estratos promedio de 1.5 m.

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Conclusiones:  El sostenimiento de acero es adaptable a casi cualquier forma de excavación subterránea, sea con una disposición cerrada (impermeable) o abierta; ello es debido a su resistencia tanto a la tracción como a la compresión y a la capacidad del acero de moldearse a cualquier forma de excavación.  En las rocas blandas, es la tensión de contacto primario que juega un papel importante en el anclaje del perno.  En las rocas duras, la pared del pozo debe ser lo suficientemente duro y el tubo de perno debe estar bien coincidir con la superficie irregular de la pared de sondeos. Es la tensión de contacto secundario inducido debido a la rugosidad de la pared del pozo que principalmente determina el anclaje de los tornillos en rocas duras.  El perno Swellex puede proporcionar un fuerte refuerzo de la roca, siempre y cuando un estrés moderado contacto primario, por ejemplo, entre 0,5 y 1 MPa, se realiza en rocas blandas, o una pared de la perforación relativamente brusca, por ejemplo, con un ángulo de rugosidad de alrededor de 6o, se realiza en rocas duras.  Es necesario para un mejor entendimiento del comportamiento de los pernos de roca (Rock Bolt) en general, a fin de mejorar la calidad del elemento de refuerzo, como del sistema de sostenimiento, en labores mineras subterráneas y superficiales; para racionalizar su uso y aplicaciones; realizar investigaciones integrales sobre este evento, la misma que considera diferentes tipos y condiciones del macizo rocoso, el comportamiento de la excavación y el tiempo de estabilización del mismo, contando para ello con los instrumentos y equipos necesarios.

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Bibliografía:  A NEW ROCK BOLT DESIGN CRITERION AND KNOWLEDGE-BASED EXPERT SYSTEM FOR STRATIFIEDROOF; Dr. Christopher Haycocks, Chair; Dr. Michael Karmis; Dr. Gerald Luttrell; Dr. Gregory Adel; Dr. Gavin Faulkner.  Atlas Copco, 1990. Sostenimiento Instantáneo de Roca, Impreso, Suecia.  Rock Support and Reinforcement Practice in Mining, Villaescusa, Windsor & Thompson.  Capítulo de ingeniería de minas. Técnicas de sostenimiento en la Mina San Vicente; Ing. Miguel Velásquez.

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