69745427 sostenimiento con pernos

MECANICA DE ROCAS APLICADA A LA MINERIA

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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.


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.


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:


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 Mohr-

Coulomb, 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.


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 Split-

set 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



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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, E

r = 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, ν

s = 0.3, ν

r = 0.2, P

pm = 30 MPa, P

i = 15

MPa, υ = 30o

.

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 <Resistencia a la tracción del perno es decir,

Donde el parámetro l representa la longitud de anclaje del tornillo, ver Figura 7. En rocas

blandas, la rugosidad de la pared del pozo, así como la tensión de contacto secundario se

puede suponer que es cero, es decir, i = 0 y q2 = 0. Así, la longitud de anclaje se obtiene de

la expresión (8) como:

En rocas duras que se obtiene suponiendo que q1 ≈ 0:

o


30

El estrés y el ángulo de la rugosidad de la longitud de anclaje a través de un ejemplo

relacionado con el Súper Swellex. La carga de rotura mínima del Swellex Súper T = 200

kN. Supongamos que

Ángulo de fricción: υ = 35 º

Diámetro de la perforación: d = 48 mm

Bolt rigidez del tubo: K = 340 MPa (calculado mediante la ecuación de K)

En la roca blanda, la longitud de anclaje del perno, expresada por (9), se ilustra en la Figura

8a frente a la tensión de contacto primario. Para una tensión de contacto primario de 1 MPa,

una longitud de anclaje de unos 2 m puede garantizar hacer uso de la capacidad máxima de

anclaje del perno. En el roca dura, la longitud de anclaje del perno, expresada por (10), se

ilustra en la Figura 8b en función del ángulo de rugosidad de la pared de sondeos. Para un

ángulo de rugosidad de 5.5°, una longitud de anclaje de alrededor de 1,2 m es suficiente

para hacer uso de la capacidad máxima de anclaje de la Súper Swellex. La perforación

neumática puede hacer fácilmente una pared del pozo muy dura, en rocas duras. Esto se

demostró mediante una prueba de campo en la retirada de granito. En la prueba, la

resistencia a la tracción de la Súper Swellex se llegó a una longitud de anclaje de 0,75 m.

Se ve en la figura 8b que el ángulo de la rugosidad de la pared del pozo es de unos 8° que

corresponde a una longitud de anclaje de 0,75 m si la tensión de contacto principal es

descuidado.

Figura 8. Ejemplos que muestran el límite de la longitud de anclaje de los pernos Super

Swellex con relación a la tensión de contacto principal en rocas blandas, y con el ángulo de

rugosidad i en la pared del pozo, en rocas duras. Valores de los parámetros utilizados para

el cálculo: d = 48 mm, t = 3 mm, x = 1 mm, υ = 35 °, T = 200 kN.

Los dos diagramas en la figura 8 son para propósitos de demostración. La mejor manera de


31

determinar la longitud de anclaje del perno, la tensión de contacto primario, así como la

rugosidad del pozo es llevar a cabo el campo de extracción de pruebas.

VENTAJAS DE UTILIZARLOS

Rapidez de instalación.

Seguridad, ya que de forma inmediata conseguimos el efecto de sostenimiento.

Funcionamiento prácticamente perfecto, con gran variedad de terrenos.

Instalación simple y cómoda.

Protección del medio ambiente.

Insensibles a las vibraciones de las voladuras.

Amplio rango de aplicación.

Control de la calidad del anclaje muy fácil, mediante un ensayo no destructivo.

INCONVENIENTES DE UTILIZACIÓN

Relativamente costoso.

Requiere una bomba de instalación.

Protección de corrosión requerida para la instalación a largo plazo.

TIPOS DE SWELLEX

Actualmente (2005) se comercializan siete tipos de bulones Swellex: el Swellex Mn12, el

Swellex Mn24, el Swellex Plasticoated, el Swellex Mn16, el Swellex Mn24C conectable, el

Swellex Mn24H y el Swellex Híbrido.

Existen dos modelos que a su vez se clasifican en tres tipos:

TIPO SWELLEX:

1a. ESTANDAR.

1b. MIDI.

1c. SUPER.

TIPO SWELLEX DE MANGANESO

2a. Mn 12.

2b. Mn 16.

2c. Mn 24.


32

TIPO SWELLEX HÍBRIDO

Comparación de un perno ideal y un bulón Swellex

PARÁMETROS DE ELECCIÓN DE LOS PERNOS.

I. SEGÚN LONGITUDES Se dispone de una amplia gama de longitudes:

el Estándar Swellex se suministra en longitudes que van de 0,90 m hasta 9,00 m

el Super Swellex de 1,80 m hasta 12 m, aproximadamente de 30 en 30 cm.

por último debemos conocer que se ha diseñado recientemente otro tipo de bulón

Swellex conectable, que permite conseguir las longitudes de bulón que se deseen.

0,6 – 6 m. Swellex Mn12



Máx 20 m. Swellex Mn24 Conectable

II. SEGÚN CARACTERÍSTICAS DEL TERRENO.

Si la roca exige una capacidad de sostenimiento mayor: Swellex Mn 24


33

Para rocas intermedias: Swellex Mn 16.

Rocas Blandas Swellex Mn24

Con un valor relativamente bajo de RMR Swellex Mn24

III. SEGÚN LA CARGA

100 kN Swellex Mn12

200 kN Swellex Mn24

160 kN Swellex Mn16

IV. SEGÚN LAS PROPIEDADES DE LOS BULONES

Las propiedades físicas del acero al manganeso, proporcionan un margen de

seguridad excepcional comparado con los bulones convencionales.

Los Swellex acomodan una deformación por esfuerzos cortantes de magnitud igual

o mayor al diámetro del taladro, sin producirse la rotura del bulón y manteniendo la

carga.

Swellex Mn12, Mn16 y Mn24 tienen una capacidad típica de alargamiento del 30

%, esto es, el bulón al alcanzar el límite de tracción se deforma para acomodar

grandes movimientos de roca.

V. SEGÚN CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA OBRA

En ambientes corrosivos: Swellex Plasticoated.

Para ser utilizados como soporte de tuberías ventilación, cableado, etc. : Mn 24H

Para túneles, galerías de mina, y taludes: Swellex Mn12.

Sostenimiento de roca en obra civil (túneles) y minería Swellex Plasticoated (Mn12,

Mn16, Mn24) ∗ “Plasticoated es un compuesto que permite revestir los bulones

Swellex, haciéndolos resistentes a álcalis, ácidos, gasolina y aceites, es de color

negro, tiene una densidad de 561 kg/cm3

, y un espesor de revestimiento de 200

μm”

Para túneles, galerías y taludes que requieran mayor capacidad de sostenimiento o

donde existan riesgos de caída de grandes bloques de roca Swellex Mn24

Para Jumbos de perforación de alto rendimiento.

Como sustituto del cable en minería, en túneles o galerías de mina de altura limitada

Swellex Mn24 Conectable

Para realizar sujeciones previas en las obras.

VI. DIÁMETRO ÓPTIMO DE TALADRO

para 38 mm swellex Mn 12

35 – 38 mm. Swellex Mn12




34

ACCESORIOS NECESARIOS PARA SISTEMA SWELLEX

PLACA DE REPARTO

La placa está diseñada para distribuir la tensión que soporta el bulón en la superficie de la

roca. Sus especificaciones son las siguientes:

Su parte central abovedada, permite cierta flexibilidad para bulones no colocados

perpendicularmente al hastial, sino con cierta inclinación, como se refleja en la figura

adjunta.

ARANDELAS PARA TELA METÁLICA

Permiten la colocación de telas metálicas en bulones Swellex ya instalados. Su capacidad

de carga es de 12 kN. Existen dos tipos: cuadradas (150 x 150 mm) tanto para Estándar

Swellex como para Super Swellex y circulares de 100 mm de diámetro, para Estándar

Swellex.

También se puede instalar fácilmente y en cualquier momento la tela metálica (figura 15) a

partir de bulones previamente instalados. La tela metálica quedaría sujeta por las arandelas

que se colocan a presión sobre el casquillo inferior del bulón sin tener que realizar taladros

adicionales.


35

Instalación de telas metálicas (Atlas Copco)

ENSAYOS A TRACCIÓN Equipo para efectuar las pruebas de resistencia a tracción consiste en unas mordazas que se

acoplan fácilmente al casquillo inferior del bulón, un tubo de separación entre la roca y el

gato, una barra de tiro y un gato hidráulico con bomba y manómetro. Permite realizar

ensayos a tracción tanto destructivos como no destructivos.

El equipo para realizar las pruebas a tracción de los pernos Swellex consta de los siguientes

componentes:


36

Principales componentes.

A. Unidad de Extracción

B. Gato

C. Cadena de seguridad

D. Latiguillo

E. Manómetro

F. Bomba

G. Manecilla

Se pueden realizar dos tipos de ensayos con los bulones Swellex, cada uno de los cuales

tiene un diferente objetivo:

Ensayo a tracción destructivo: se realiza para determinar la resistencia a la

extracción (tensión de rotura) de un bulón instalado.

Ensayo a tracción no destructivo: se realiza para determinar el efecto de anclaje

de un bulón instalado. Este ensayo se realiza a menudo tras un periodo de tiempo

determinado, teniendo en cuenta la influencia de las vibraciones y/o de la presión

del macizo rocoso.

APLICACIONES:

SEGÚN TIPO DE TERRENO

Los bulones Swellex tienen un amplio rango de aplicación en los diferentes tipos de

roca.


37

Pueden utilizarse tanto en roca dura como en roca blanda o fisurada.

Pueden utilizarse tanto en roca dura como en roca blanda o fisurada. Cuando los

bulones Swellex se instalan en roca muy fisurada las tensiones radiales incrementan

las fuerzas de contacto entre los bloques de roca que rodean al bulón, provocando

un incremento en la resistencia de la masa rocosa. En terrenos plastificados.

Los Swellex proporcionan una consolidación inmediata alrededor del mismo,

produciendo un aumento en la resistencia del material, y una mejor capacidad de

sostenimiento del terreno. Al producirse la compactación del terreno, los bulones

conforman un arco portante y en conjunto constituyen una bóveda de sostenimiento.

Rango de materiales en los que se pueden usar Swellex.

SEGÚN CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA OBRA

Los Swellex se utilizan también para la estabilización de taludes, tanto las existentes

en vías ferroviarias, como en carreteras, así como en las bermas de minería a cielo

abierto.

Los Swellex se utilizan también para la estabilización de taludes, tanto las existentes

en vías ferroviarias, como en carreteras, así como en las bermas de minería a cielo

abierto.

Si para el sostenimiento se contempla un revestimiento final de hormigón se puede

emplear el Estándar Swellex.

El Estándar Swellex es ideal para los diámetros de 38 mm, que es el habitual en los

equipos de empernado.

Si las características tensiónales de la roca exigen una capacidad de sostenimiento

mayor o bien se desea reducir la densidad de empernado, entonces es más

recomendable utilizar el Súper Swellex, que es un bulón de mayor diámetro.

El Midi Swellex reúne unas características de sostenimiento intermedias entre los

Swellex anteriormente mencionados.

En ambientes corrosivos los bulones Swellex revestidos protegidos contra la

corrosión y los Swellex de acero inoxidable tienen mayor durabilidad y resistencia.

Por último están los Swellex híbridos utilizados para mayores capacidades de

sostenimiento.


38

Los pernos Swellex se fabrican en dos tipos, el Standard Swellex con chapa de 2 mm de

espesor y un diámetro antes de ser inflado de 25.5 mm, y el súper Swellex, que tiene un

grosor de chapa de 3 mm y un diámetro antes de ser inflado de 36 mm.

Los Standard Swellex deben colocarse en taladros cuyo diámetro este comprendido entre

32 y 43 mm; mientras que los Súper Swellex están preparados para ser colocados en

taladros cuyo diámetro este comprendido entre 39 y 52 mm.

Inicialmente los pernos Swellex tenían comportamiento excesivamente frágil, por lo que se

adaptaban mal a las deformaciones del terreno. La comercialización de los Yielding

Swellex, tanto en el tipo Standard como en el Súper, ha resuelto el problema.

Los Yielding Standard Swellex consiguen resistir una fuerza axial de algo más de 8 t, que

se eleva a 19 t en el caso de los Yielding Súper Swellex. Ambos tienen una capacidad muy

elevada de deslizar, manteniendo la carga, que, junto con su gran fiabilidad de anclaje, con

sus mejores características.


39

Deformabilidad de los sistemas de anclajes:

Uno de los problemas más importantes que debe afrontar la tecnología de los pernos es

conseguir que el sistema de anclaje se adapte a la deformación de los terrenos.

El comportamiento ideal de un perno seria el elasto-plastico perfecto, de tal forma que

tendría una rigidez muy elevada, mientras se comporta elásticamente, y luego se deforma

indefinidamente una vez que se haya alcanzado la máxima carga posible.

Desafortunadamente hasta ahora, no se ha conseguido encontrar un perno que soporte una

carga elevada y sea, a la vez, capaz de aceptar una deformación importante.

Para valorar el comportamiento de los pernos uno de los trabajos más representativos ha

sido realizado por el Dr. Eng. Bengt Stillborg (1990).

El objeto de los ensayos de Stillborg se concretaba en cuantificar el comportamiento de los

pernos más utilizados actualmente ante un proceso de carga, materializando, previamente,

el efecto de una discontinuidad del terreno en la que se acumulan los desplazamientos.

Para ello realizo sus experimentos con el dispositivo que se muestra en la fig. 16. Que esta

constituido por dos bloques de hormigón que, una vez anclados en ellos los pernos a

ensayar, se separan por medio de una fuerza axial creciente.

En la figura se muestra el resultado de los ensayos realizados con los siguientes tipos de

pernos:

1. Split set SS39.

2. Anclaje puntual con barra de 17.3 mm de diámetro.

3. perno Yielding Standard Swellex.

4. perno de acero corruga, de 20 mm de diámetro, anclado con resina.

5. perno de acero corrugado de 20 mm de diámetro, anclado en cemento.

6. Perno Yielding Súper Swellex.

7. Perno de fibra de vidrio de 22 mm de diámetro, anclado con resina.


40

Figura. Curvas carga- deformación de diferentes tipos de pernos (stillborg), obtenidas en bloques de hormigón

con 60 MPa de resistencia a la compresión.

Del análisis de las curvas obtenidas por Stillborg, se pueden extraer las siguientes:

Conclusiones del grafico:

A. los pernos Split Set SS39. Yielding Standard Swellex y de anclaje puntual, acepta una

separación de la discontinuidad superior a 50 mm, antes de la rotura, pero la carga que

admite es inferior a 8 t.

B. los otros cuatro tipos de pernos admiten cargas entre 17 y 19 t; pero su Deformabilidad

es muy diferente, ya que mientras los anclados con resina o cemento se rompen con un

desplazamiento de la junta entre 20 y 35 mm, los Yielding Súper Swellex llegan a 150mm.

C. la rigidez, en régimen elástico, de todos los pernos es la misma excepto en el caso de los

pernos de resina poliéster. Esto es consistente con el hecho de que el modulo de elasticidad

de la resina poliéster es cuatro veces inferior al del acero.

De acuerdo con todo lo anterior, desde un punto de vista práctico, los pernos más

interesantes si el terreno se comporta cuasi-elásticamente serán de acero anclados con

resina o cemento. Por el contrario, si el terreno sufre fuerte plastificación después de la


41

excavación del túnel, los pernos tipo Yielding Súper Swellex aparecen como más

ventajosos.

Elección del tipo de perno:

Los parámetros que condicionan la elección del tipo de perno que se debe utilizar en una

obra son muy variados y, en muchas ocasiones, la decisión se orienta simplemente hacia el

más económico.

Actuando con rigor, la elección del tipo de perno que debe utilizarse en una obra

determinada debería estar condicionada por las exigencias que el terreno impone al perno y,

los pernos que cumplieran los requisitos técnicos necesarios, se deberían emplear los más

económicos.

Con el objeto de tener una visión de conjunto del comportamiento de los pernos, en la

Tabla 1 se han clasificado todos ellos en función de los criterios que se consideran de más

utilidad. Salvo en el caso de la longitud máxima de los pernos que resulta operativa, que se

ha indicado en metros, en todos los casos la puntuación más próxima a 10 supone el mejor

comportamiento y la más próxima a 0 el peor.

La primera conclusión que se puede extraerse al observar la tabla 1 es que no existe un tipo

de perno que sea el mejor en todas las cas condiciones consideradas y que todos los tipos de

pernos tienen algún comportamiento que puede ser clasificado de excelente.

(*) Utilizando pernos de acero inoxidables o revestidos.

Salvo que se indiquen unidades, el 10 significa óptimo y las cifras decrecientes suponen

menor cualidad.

Control del perno:

El control de la calidad del perno debe orientarse básicamente hacia el control de la calidad

del anclaje y, en menor medida sobre el nivel de carga que asumen los pernos colocados en

el túnel.

Control de la calidad del anclaje.

El control de la calidad del anclaje debe centrarse en comprobar la fuerza axial que puede

soportar el perno, la adherencia entre el perno y el terreno y la longitud de anclaje efectivo,

en los de anclaje repartido.


42

Fuerza axial que resiste el anclaje

La comprobación de la fuerza axial que resiste el anclaje es un ensay que ha sido

normalizado por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas que, en esencia consiste

en someter a un buen anclado a una carga axial predeterminada mediante el dispositivo

que se ilustra en la figura 23 el procedimiento norma de ensayo supone ir incrementando

la fuerza axial de tracción, a intervalos regulares, hasta alcanzar el límite fijado

previamente y constatar que se establece un equilibrio en e que se mantiene a fuerza

aplicada y e perno no desliza.

El dispositivo de ensayo es realmente simple y no ofrece más dificultades que disponer de

los sistemas para aplicar a fuerza de tracción en el extremo libre del perno, que, en el

caso de que este no esté constituido por una barra de acero roscada, debe ser

especialmente diseñado para cada caso.

Casos aplicados:

Sistema de sostenimiento en la mina San Vicente

Pernos de anclajes.

Uno de los métodos más conocidos de sostenimiento en la minería subterránea es el

empernado de roca.

En San Vicente se viene utilizando este sistema en rampas accesos principales y en tajeos

a característica principal más saltante de la mina San Vicente es la caja techo la cual es

una caliza media foliada y estratificada. Estos estratos o lozas tienen una potencia variable

entre 0.5 y 1.5 m el contacto entre los estratos es un relleno de caliza y dolomita. Por

métodos de explotación se generan aberturas que varían de 6 m. a 15 m. Por lo que se

requiere un método de sostenimiento que evite que estos estratos colapsen o caigan. El

método más óptimo es el empernado sistemático en los tajeos. En los saltos de falla se

usan pilares de tamaño variable los cuales son recuperadas antes de rellenar el tajeo.

De acuerdo al estudio de geomecánicas realizadas se obtiene el siguiente resumen.


43

características cajas

estructura Piso techo

Geológica fracturada Poco fracturada y

competente

Dura a moderadamente

dura y medianamente

fractura.

Compresión 60 MPa , baja 100 MPa

media dura 100 MPa

media

Hidrogeología humedad seca Seca a húmeda

Calidad roca Q

ESR

1.8 1.5

3.4 1.5

6.2 a 1.8

3

Abertura máxima sin sostenimiento

2xESRxQx0.4

3.8 m permanente

5 m permanente

12.5 a 7.50 m Temporal de 20 días

como máximo y 7 días como mínimo.

Intensidad fallamiento

4.3 m 5.1 m 5.1 m

Hay 2 tipos de de pernos de anclaje que e utilizan actualmente en la operación minera en

san Vicente.

a.- pernos cementados en accesos, rampas y labores permanentes.

b.- pernos Swellex en tajeos en explotación.

Pernos tipos Swellex.

Los pernos de anclajes Swellex consisten en un tubo de hacer plegad que se expande en el

taladro por medio de agua a alta presión.

Durante el proceso de aumento de volumen el perno Swellex se adapta a las

irregularidades del taladro, aumentando así la resistencia de la roca y consiguiendo un

anclaje total de fricción y mecánico en toda la longitud del perno.

Equipo.

El equipo básico para la instalación de un perno Swellex consiste de;

- Bomba portátil que eleva la presión de agua hasta 300 bares.

- Brazo portátil para la instalación de perno, el cual se adapta a la bomba. Todo este

equipo brazo y bomba pesa 27 kg.


44

Instalación.

- Perforación de taladro de 3 m. de longitud y diámetro recomendado de 34 – 38

mm.

- Se introduce el perno en el taladro y se adapta al casquillo inferior; que tiene una

pequeña abertura; el brazo portátil se acciona el circuito de mando de la bomba

para inyectar agua a alta presión con lo cual el perno se expande en todo el

diámetro del taladro. El diámetro del perno Swellex es de 25.5 mm. Y se expande

hasta aproximadamente 41 mm. , siendo el espesor del acero de 2 mm.

- El agua inyectada sale expulsada por el orificio del casquillo por donde se inyecta.

Pruebas de arranque

Para un diámetro de tarad de 38 mm. Las pruebas realizadas para los pernos estándar de

3 m de longitud nos dan una carga de 9.5 toneladas como mínimo. A esta carga lo que

ocurre es el desprendimiento del casquillo inferior por donde se inyecta agua; rotura de la

soldadura; y elongación del perno de hasta 3 cm. Aproximadamente.

Existen casos aisladas en la que los pernos han sido jalados a menos de 5 toneladas. Esta

se debe a errores en la colocación del perno como son principalmente la perforación del

taladro con un diámetro mayor al recomendad y el inflar el perno con una presión de agua

que no llega a 300 bares por deficiencia en el suministro de aire comprimido.

Comparación entre pernos cementados y pernos tipo Swellex.

El terreno Swellex da un soporte inmediato apenas es colocado, en el caso del perno

cementado este comienza a trabajar a medida que va fraguado la mezcla inyectada.

La resistencia de perno cementad aumenta con el tiempo consiguiéndose mejores

resultados a partir de los 28dias de su colocación. Es por esta que los pernos los utilizados

en labores de carácter definitivo llámese rampas y accesos principales. Mientras que los

pernos Swellex los utilizados en los tajeos de producción; labores temporales.

La instalación del perno Swellex es rápida y sencilla; 3 hombres; se necesita solamente el

equipo; bomba + brazo; e instalaciones de aire y agua. El tiempo de colocación; inyección;

demora menos de 1 minuto. En el caso de perno cementad se necesita preparar la mezcla.

Inyectarla y luego colocar el perno. 4 hombres.

En rocas muy fracturadas no se recomienda la instalación de pernos Swellex, dad que

trabaja a fricción en todo su longitud obteniéndose cargas no representativas en las

pruebas de arranque.


45

En el caso de los pernos cementados. La mezcla cementada sirve como relleno de las

fracturas o cavidades considerando la roca adyacente.

Los pernos Swellex nos limitan a un rango de perforación determinado de 34-38 mm... en

taladros de mayor diámetro la fricción disminuye a medida que nos aproximamos a los 41

mm.; diámetro de expansión del Swellex.

El perno Swellex es 40% menor al perno cementado.

Comparación de pernos de sostenimiento.

Perno cementado Swellex Split set

Rendimiento Unidades/guardia

12 14 15

Tiempo desde su instalación hasta soportar cargas ,

horas.

72 Inmediato Inmediato

Equipo empleado 1 maq. Perforación

1 bomba inyectar de mortero.

1 maq. Perforación 1 bomba inyectar de

agua con brazo por tn.

1 maq. Perforación 1 culatin de

empuje.

Materiales

Fierro corrugado de

1’’ cemento, placa

tuerca arandela

Perno Swellex placa sustentadora

Porno spit set placa

sustentadora.

Resistencia tn Mayor de 20 ton 10 ton 5 tn

Diámetro de taladró mm

38-45 32 - 39 35

Malla utilizado 2 m. x 2 m. 1.5m x 1.5 m. 1 m x 1 m

Costo $/unidad 100% 60% 78%


46

Malla de instalación de pernos en tajeos.

Calculo teórico.

F = fuerza de arranque kN.

L = longitud del perno; m.

U = coeficiente de fricción entre hacer y roca 0.2.

a = radio del taladro mm.

Ps = carga axial máxima que puede soportar el perno kN.

d = diámetro del tubo inflado 41 mm.

h = espesor del tubo 2 mm.

q = presión de agarre entre el perno y la roca

bs = resistencia del acero MPa.

Lmax = máxima longitud del fierro a ser jalada sin que se produzca rotura.

Tenemos que se cumple.

F = 2.π.u.a.q. L 1

F = ≤ Ps = π.d.h.b.s 2

L max = Ps/C2.π.u.a.q 3

De 2;

Ps = π.41mm.2mm.420MB.

Ps = 108,196 MPa x mm2

Ps = 108,196 x 10

x

2 x mm2

Ps = 108,196 kN a 110 KN

Ps = 11 tn →12 m -10 kN

Por resultados experimentales

L a resistencia pr unidad de longitud F/l es de 200 kN/m

Lmax = Ps/(F/l = 110/200 = 0.55 m.

Espaciamiento de los pernos Swellex.

Ps>Proca .q.A.( l-lmax

En nuestro caso.

Ps = 110 kN = 11 tn

Proca = 2.5 tn/m3


47

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.


48

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.


49

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.

69745427 sostenimiento con pernos

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