Influencia del diseño de concreto shotcrete al sostenimiento en la compañía minera Ares-Julcani, 2019-02 Influence of shotcrete concrete design to sustainment at the Ares-Julcani mining company, 2019-02
Leguía C. Brayan 1, Quispe H. Deybiz 2 y Ramos L. Steve2 Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera profesional de Ingeniería Civil Av. San Carlos N°1980.Urbanización de San Antonio, Huancayo, Junín E-mail 76078512@continental.edu.pe
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Resumen La minería en el Perú, es la actividad que genera más divisas para el mencionado país, así como una de las actividades más económicas existentes, por esa razón mucha gente está inmersa en el mundo minero. El negocio minero, es sin duda también una de las actividades más riesgosas que realizan los peruanos debido a que en ella existe un gran índice de accidentes fatales, de esta manera y por mencionarlo el 60% de los accidentes fatales que se dan anualmente en minería se debe al desprendimiento de bancos de roca, es decir, por caída de rocas hacia los colaboradores en minería subterránea y superficial también. Una de las variables fundamentales para combatir el desprendimiento de caída de rocas es el sostenimiento, si hablamos de sostenimiento existen diversos tipos de sostenimiento, pero al que nosotros nos enfocaremos es al sostenimiento con concreto, es decir sostenimiento con shotcrete, cemento lanzado a presión las cuales tendrán finos como máximo de 2.5mm de diámetro. Si bien es el conocimiento empírico del ingeniero lo que nos determinará el tipo ideal de mezcla, así como el comportamiento geo mecánico, nosotros podemos realizar ensayos para poder determinar la incidencia de estas variables, es por ello que el estudio estará enfocado a determinar qué porcentaje tiene esa incidencia, entre el tipo de mezcla de cemento y la resistencia a la compresión de nuestro macizo rocoso.
Abstract Mining in Peru, is the activity that generates more foreign exchange for the mentioned country, as well as one of the economic activities, for that reason many people are immersed in the mining world. The mining business is undoubtedly also one of the most risky activities that Peruvians carry out because there is a high rate of fatal accidents, in this way and for the other 60% of fatal accidents that occur annually in mining it is due to the detachment of rock banks, that is, due to the fall of rocks towards the collaborators in underground and surface mining as well. One of the fundamental variables to combat the fall of rock falls is the support, if we talk about support there are different types of support, but what we focus on is the support with concrete, that is to say support with projected concrete, cement under pressure. Any fine at most 2.5mm in diameter. Although it is the empirical knowledge of the engineer that will determine the ideal type of mixture, as well as the mechanical geographical behavior, we can perform tests to determine the incidence of these variables, which is why the study will be focused on determining what percentage it has that incidence, between the type of cement mix and the compressive strength of our rock mass.
Palabras Clave: diseño de mezcla, comportamiento mecánico, concreto shotcrete, sostenimiento activo, resistencia a la compresión, módulo de ruptura Keywords: mix design, mechanical behavior, shotcrete concrete, active support, compressive strength, rupture modul
Introducción Actualmente se define el concepto de sostenimiento como un conjunto de soportes que ayudan en la fortificación de las labores abiertas durante la explotación minera mejorando las condiciones de estabilidad del macizo rocoso. También se puede denominar soporte de rocas a los procedimientos y materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al perímetro de la excavación subterránea. (Camarena Cosme, Franklin Miguel, 2006, p.39). La estabilización de terrenos en operaciones mineras y en construcciones en general es una labor de gran importancia y necesidad, pero a la vez de alto costo, que ocupa parte del tiempo de labor pudiendo interferir con los avances. En la minería, el desprendimiento y caída de roca constituye el mayor causante de accidentes incapacitantes y fatales de acuerdo con las estadísticas. Se requiere por lo tanto métodos de sostenimientos rápidos, seguros y de bajo costo. (Ortiz Sánchez Oswaldo, Fernández Cauti Francisco D., Blas Guzmán Wilfredo ,2003, p.3). Calcina (2018), afirma que: “Cuando realizamos excavaciones subterráneas para explotar minerales, las tensiones naturales existentes se desequilibran y producen rotura en algunas zonas circundantes a las excavaciones, la cual debe ser controlada utilizando métodos empíricos de sostenimiento” (p. 12). El comportamiento mecánico de elementos de concreto reforzado shotcrete significativamente distinto al de elementos de concreto convencional; aspectos como el módulo de ruptura, el agrietamiento por temperatura el tamaño máximo de grieta ante cargas, el mecanismo de colapso y el comportamiento esfuerzo-deformación, entre otros, son algunos de los parámetros que presentan diferencias significativas. (Alejandro Navas Carro, José Luis Rojas Juárez,2010, p.67). La aplicación del concreto o mortero por aspersión, impulsado por la fuerza del aire comprimido, denominado en ingles shotcrete y castellanizado en la industria con este nombre. En Perú se inició a fines de la década de los años 60, perfeccionándose su aplicación a mediados
de los 70. A raíz del inicio de los trabajos del proyecto de expansión de la mina Cobriza. (Camarena Cosme, Franklin Miguel, 2006, p.12). Con el correr de los años se ha ido mejorando los diseños de sostenimiento, pasando por diseños de shotcrete vía seca, pernos Split set, pernos swellex, hidrabolt, malla y Shotcrete vía húmedo mecanizado. Esto ha permitido ir reduciendo los casos de accidentes por caída de roca y mejorando la recuperación del mineral en terrenos malos a extremadamente malos (Abad Ángel y Huisa Fernando. 2011). “El presente trabajo de investigación muestra una de las causas principales del elevado costo que se presenta al utilizar un Sistema de sostenimiento relativamente nuevo y tecnológico, como es el sostenimiento con shotcrete vía húmeda”. (Camarena Cosme y Franklin Miguel, 2016, p.14). Materiales y Métodos En esta investigación nos basamos en la metodología de la prueba y error diseñando mezclas bajo los lineamientos propuestos por las normas para ensayo Marshall ASTM D 6926 y ASTM D 6927. No obstante, es prudente mencionar que antes de entrar en el diseño de la mezcla se caracterizó tanto al agregado grueso como al agregado fino definiendo sus propiedades volumétricas y determinando si son aptos para mezclas asfálticas de acuerdo a lo propuesto por la norma NEVI-12, volumen 3. Lo propio con el ligante asfáltico. Se seleccionó el PET Tipo 1 por ser el más común en el medio por lo que se puede reciclar en cantidades masivas; está representado por bebidas carbonatadas, energizantes, agua embotellada, etc. (Romero Flores Patricio, Huertas Cadena, Guillermo, Cezar Ruiz Juan, 2015, p.13). La mezcla que se utiliza para este tipo de concreto se consolida por la fuerza del impacto, la dosificación de dicha mezcla requiere de componentes de alta gama que brinden una fácil aplicación, flexibilidad, resistencia y durabilidad para un buen soporte y sostenimiento en túneles o socavones mineros.
Por lo general, los componentes de concreto lanzado son: áridos, cemento y agua, además de complementos como materiales finos, aditivos químicos y fibras de refuerzo, y son estos complementos los que brindan prestaciones técnicas en obra. En el caso del concreto lanzado (shotcrete), Z Aditivos cuenta con una oferta técnica de Fibra Metálica Z y el Acelerante Z Gunit líquido, así como otros aditivos plastificantes.” Concluye (Perú Construye, p.110-111) (2018). El Shotcrete, es un método de aplicación del concreto simpe a superficies naturales (rocas y suelos) y artificiales (estructuras de concreto, acero y mampostería), con diferentes finalidades; lanzándolo con mucha fuerza mediante el aire comprimido para que se adhiera a la superficie lanzada y se compacte. Este procedimiento se efectúa con la ayuda de una maquinaria de lanzamiento fabricada específicamente para este fin. En la actualidad hay tres modalidades de aplicación del shotcrete, respecto al momento de mezclare con el agua: la mezcla seca, la semihúmeda y la húmeda. Para la aplicación en techos de túneles las mezclas secas generan menor cantidad de desperdicios de material y la semihúmeda además disminuye la generación del polvo durante la aplicación. (Toledo Garay Enrique, Mendoza Delgadillo Gerardo, Tomas Gallarday Bernardo ,2011, p.3).
Si el sostenimiento fuera incompresible, la carga sobre el soporte sería la línea AA’, pero todo sostenimiento se deforma y también las paredes de la excavación llegando a un punto de equilibrio en C con un desplazamiento radial OB y deformación AB del soporte a un nivel de carga CB. El equilibrio en C se obtiene solo si se aplica un sostenimiento apropiado y es colocado a tiempo. La línea AeE muestra el comportamiento de este soporte que cede antes de que la excavación se estabilice. La línea AF representa sostenimiento muy débil poco confiable y la línea GH corresponde a un sostenimiento muy tardío y por lo tanto ineficiente. (Ortiz Sánchez Oswaldo, Fernández Cauti Francisco D., Blas Guzmán Wilfredo ,2003, p.3).
Figura 1. Reacción del macizo rocoso al implantarse una excavación. Acción del sostenimiento instalado en diferentes periodos. (Deere D.U., et. al.,1970)
Tabla 1. Diseño de shotcrete Vía Húmeda con fibras para mina San Cristóbal El movimiento, antes de la instalación del soporte, está representado por el segmento OA.
El espesor de la aplicación del shotcrete está en función del ancho del túnel y no requiere refuerzo metálico si la carga genera una fuerza cortante de baja magnitud. Cuando aparecían grietas en la aplicación del Shotcrete desde el principio de la aplicación de este método de sostenimiento, se utilizaban refuerzos de malla de alambre y pernos de roca; pero para ejecutar esta operación se tenía que perforar la roca; el hecho de perforar en roca deleznable, ocasionaba grabes accidentes incapacitantes y fatales y la destrucción del equipo, por este motivo se inventó el Nuevo Método Austriaco. (Toledo Garay Enrique, Mendoza Delgadillo Gerardo, Tomas Gallarday Bernardo ,2011, p.3).
Resultados
M1
M2
M3
Longitud(cm)
12
11
10
Diámetro (cm)
4
4
4
Tabla 2. Longitud y diámetro de las muestras del macizo rocoso metamórfico
Ensayo de resistencia a la compresión
Ensayo fuerza de compresión Muestras sin concreto M1 85.95
M2 85.86
M3 86.01
Mprom 85.94
Tabla 3. Datos del ensayo de resistencia a la compresión obtenido de tres muestras sin concreto más el cálculo del promedio para comparar la eficiencia
Ensayo fuerza de compresión Muestras con concreto N° de días 1
M1 155.7
M2 156.9
M3 155.1
Mprom 155.90
3
187.35
186.59
187.05
187.00
7
209.84
209.87
209.92
209.88
210 Tabla 4. Datos del ensayo de resistencia a la compresión obtenido de tres muestras con concreto donde se curó (proceso de controlar y mantener un contenido de humedad satisfactorio y una temperatura favorable en el concreto) mediante un margen de 1 ,3 y 7 días más el cálculo del promedio para comparar la eficiencia requería que es 210kg/cm2.
250
210
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
225 200
209.84
209.87
209.92
209.88
187.35
186.59
187.05
187.00
155.7
156.9
155.1
155.90
175 150 125 100 75 50 25 7 3 1
0 0
1
2 N°1 día
3
4
5
N° DE DIAS N°3 día
N°7 día
Requerida
6
Figura 2. Grafica de la eficiencia del ensayo de resistencia a la compresión de la muestra de los macizos rocoso comparando con la resistencia requería
Ensayo de carga puntual
Ensayo carga puntual Muestras sin concreto M1
M2
M3
Mprom
46.3
47.1
45.9
46.43
Tabla 5. Datos del ensayo de carga puntual obtenido de tres muestras sin concreto más el cálculo del promedio para comparar la eficiencia
Ensayo carga puntual Muestras con concreto N° de días 1
M1 66.05
M2 65.89
M3 66.01
Mprom 65.98
3
86.15
85.99
86.11
86.08
7
106.35
106.19
106.31
106.28
110 Tabla 6. Datos del ensayo de carga puntual obtenido de tres muestras con concreto donde se curó (proceso de controlar y mantener un contenido de humedad satisfactorio y una temperatura favorable en el concreto) mediante un margen de 1 ,3y 7 días más el cálculo del promedio para comparar la eficiencia requería que es 210kg/cm2
120
110
105
CARGA PUNTUALl
90
106.35
106.19
106.31
106.28
86.15
85.99
86.11
86.08
66.05
65.89
66.01
65.98
75 60 45 30 15 7 3 1
0 0
1
2 N°1 día
3 N° DE DIAS N°3 día N°7 día
4
5
6
Requerida
Figura 3. Grafica de la eficiencia del ensayo carga puntual de la muestra de los macizos rocoso comparando con la resistencia requerída
Discusión Al realizar los ensayos solo del macizo rocoso metamórfico se pudo observar que es un material muy frágil presenta poca dureza al adherir el concreto especial Shotcrete añade más dureza a la muestra evaluamos por un ciclo de curado de un 1 día en el cual pudimos observar que la resistencia avía subido después de 3 a 7 días se prolongó más la resistencia del concreto pero abría otro método más eficaz y de menos tiempo que es el aditivo acelerarte que permite al concreto fraguar más los cual le proporciona más resistencia y eficacia a la hora de voladura y de sostenimiento para mayor seguridad y no correr riesgos en cualquier frente laboral de la mina Nuestros resultados en los diferentes ensayos muestran un aumento de resistencia de las muestras de roca con mezcla de concreto shotcrete respecto a las muestras de roca sin concreto shotcrete, afirmando estudios anteriores que cual también nos menciona que que el concreto shotcrete mejoraría un 200% de resistencia del macizo rocoso mejorando la estabilidad de galerías mineras. En nuestro segundo ensayo (ensayo de carga puntual) nuestros resultados de macizo rocoso
agregarle concreto a nuestras galerías mineras “mejora las condiciones de estabilidad del macizo rocoso”. El resultado de las muestras de roca sin concreto en el ensayo de macizo rocoso nos dio un resultado promedio de 85.94 kg/cm2, mientras que nuestras muestras de macizo rocoso mesclado con el concreto shotcrete nos dio un resultado promedio de 209.88 kg/cm2 lo que indica que la resistencia mejoraría en un 100%, pero el reglamento especificaciones técnicas del concreto shotcrete indica que se debe llegar a una resistencia de 210 kg/cm2, la variación se debe a que estos resultados óptimos se lleva en laboratorios de óptimas condiciones. Estudios del concrete shotcrete mencionan que la máxima resistencia se obtiene después de los 28 días de curado, superando todos los estándares de 210 kg/cm2, con esto estaríamos demostrando sin concrete shotcrete dio un resultado promedio de 46.63 kg/cm2; los resultados de nuestros testigos mesclados con el concreto mejoraron la resistencia llegando a un promedio de 106.28 kg/cm2, disminuyendo la gran
cantidad de accidentes en mina por el vibrado que generan las maquinas. Se estimó que en unos cuantos días más de curado de nuestras testigos de macizo se obtendría los resultados normados en las especificaciones técnicas de concrete
autopropulsado por aire, nuestro resultado más alto en ensayo de carga puntual fue de 106.35 kg/cm2 siendo el óptimo de 110 kg/cm2 teniendo una mínima variación, la resistencia de nuestra muestra mejoraría con unos días más de curado.
Conclusiones
Existen diferentes tipos de sostenimiento en mina el que evaluamos comparación de los cuadros de madera y pernos de anclaje, el tipo de sostenimiento usando el concreto el cual evaluamos con la muestra de la mina para un sostenimiento preventivo es eficaz ya que en un tiempo más prolongado aumenta la resistencia y de adhiera a que los bancos para que no se deslizan esto genera mayor seguridad en trabajos internos en mina ya que para las empresas la seguridad es primordial. Según los datos recolectados en los estudios experimentales; a medida que se incrementan los días, aumenta la capacidad del macizo rocoso metamórfico de absorber energía, aumentando la carga admisible de este. El sostenimiento es un conjunto de soportes que ayuda a las estructuras a soportan el peso de las rocas y suelos cuando se hacen las excavaciones subterráneas para las labores de explotaciones minera, el método de sostenimiento minero con la influencia del concreto shotcrete es uno de las soluciones planteadas para poder disminuir los gastos previstos para los trabajos de esta especialidad ya que no será necesario utilizar los refuerzos metálicos. El concreto shotcrete se utilizará para estabilizar las rocas y suelos, el espesor que se pueda llegar a necesitar es según el ancho de la luz del túnel y los tipos de colocaciones que tenemos en estos días son la mezcla seca, la semihúmeda y la húmeda. Para la colocación se efectúa con la ayuda de una maquinaria de lanzamiento que es fabricada específicamente para este tipo de uso, es beneficioso ya que es económica, segura y una manera rápida de colocación.
Referencias Camarena Cosme Franklin Miguel. (2016), Optimización del sostenimiento con shotcrete vía húmeda con fines de minimizar costos y mejorar la producción de lanzado de la e.e. robocon s.a.c. en la mina San Cristóbal - cía minera volcán s.a.c., universidad nacional del centro del Perú. Ortiz Sánchez Oswaldo, Fernández Cauti Francisco D., Blas Guzmán Wilfredo, (2003), sostenimiento activo de excavaciones mineras subterráneas y a cielo abierto mediante el mortero de resina en pernos y tendones de anclaje, Lima, Perú. Calcina, E. (2018). Diseño y sostenimiento del bypass 942 (nivel 3340) para optimizar la seguridad de las operaciones en la mina. (Tesis de pregrado). Arequipa, Perú: Universidad Nacional San Agustín.
Navas Alejandro, Rojas José, (2010), Comportamiento de losas apoyadas en suelo utilizando concreto reforzado con fibras metálicas, Huancayo, Perú. Camarena Cosme Franklin Miguel. (2016), Optimización del sostenimiento con shotcrete vía húmeda con fines de minimizar costos y mejorar la producción de lanzado de la e.e. robocon s.a.c. en la mina San Cristóbal - Cía. Minera Volcán S.A.A., Universidad Nacional del Centro del Perú. Abad, A., Huisa, F. (2011). Procedimientos de excavación y sostenimiento de túneles proyecto derivación Huascacocha – Rímac. (Tesis de pregrado). Lima, Perú: Universidad Ricardo Palma Camarena Cosme Franklin Miguel. (2016), Optimización del sostenimiento con shotcrete vía húmeda con fines de
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Sostenimiento económico y seguro para excavaciones subterráneas, Lima, Perú. Oswaldo Ortiz Sánchez, Francisco d. Fernández Cauti, Wilfredo Blas Guzmán, (2003), Sostenimiento activo de excavaciones mineras subterráneas y a cielo abierto mediante el mortero de resina en pernos y tendones de anclaje, Lima, Perú. F. Enrique Toledo Garay, Gerardo Mendoza Delgadillo, Tomas Gallarday B. (2011) Sostenimiento económico y seguro para excavaciones subterráneas, Lima, Perú.
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