Los sistemas de sostenimiento habituales están limitados en su capacidad frente a cargas dinámicas. Las mallas de acero de alta resistencia han demostrado su idoneidad como protección y sostenimiento en excavaciones subterráneas. Ensayos estáticos y dinámicos realizados por la Western Australian School of Mines así lo han corroborado.
Debido a la elevada resistencia del alambre de acero (mín. 1770MPa) y su capacidad de adaptación a la superficie del terreno, este sistema de sostenimiento se puede aplicar en emplazamientos sometidos a altas solicitaciones. Para desenrollar la malla romboidal de alambre de acero de alta resistencia se ha desarrollado y comenzado a utilizar exitosamente un brazo automatizado, que permite desarrollar con eficiencia los trabajos de sostenimiento subterráneo. Este dispositivo, compatible con cualquier jumbo de perforación de brazos múltiples, permite colocar la malla enrollada en un sistema de bobina. Este mecanismo se emplaza en uno de los brazos del jumbo, mientras que la máquina perforadora para los anclajes se coloca sobre otro de los brazos del jumbo. La innovación en la colocación de esta malla junto con la implementación mecanizada de anclajes de forma simultánea, proporciona un aumento en la seguridad del personal, así como del rendimiento en la producción de la mina.
En general, el sostenimiento primario en operaciones mineras subterráneas para controlar derrumbes consiste en un mallazo electrosoldado sujeto con anclajes de expansión que trabajan a fricción. A mayor profundidad, los hastiales de las galerías sufren por aumento de la sismicidad y daños asociados por derrumbes. Para intentar controlar este riesgo se colocan anclajes especialmente diseñados, con mejor capacidad de absorción de energía y de elongación. Este tipo de anclajes también es compatible con entornos de alta deformabilidad, sin embargo, entre los anclajes se requiere de un elemento que permita distribuir de forma racional el soporte en la zona libre de anclajes. La estrategia hasta el momento ha sido utilizar como recubrimiento fibras textiles gruesas, no muy efectivas u hormigón proyectado (gunita) reforzado con mallazo de acero electrosoldado, este último tipo de solución además de costosa, presupone lentitud en el proceso de instalación. El hormigón proyectado además, tiene un comportamiento rígido y reacciona de forma inadecuada frente a solicitaciones dinámicas. La consecuencia más común es el fallo y por ende la necesidad de repetición de dichos trabajos de refuerzo, con los problemas de seguridad que todos ello implican.
En principio los paneles de mallazo de acero electrosoldado son fáciles de manipular, además este mallazo es suficientemente rígido a la vez que suficientemente resistente, para prevenir desprendimientos y caídas de rocas de menor tamaño. Con la colocación de este mallazo en forma de arco se consigue aportar una cierta estabilidad a la clave y hastiales, pero sin ninguna duda no tienen la posibilidad de absorber impactos dinámicos de bloques mayores. Las uniones electrosoldadas son quebradizas y usualmente se rompen primero, seguidas por fallo del alambre cuando las cargas son superiores.
Las mallas de simple torsión, compuestas por alambre de acero de alto límite elástico (1770 MPa) han evidenciado excelentes resultados durante los primeros ensayos realizados, ya que combinan una alta resistencia y una considerable flexibilidad. La malla fue capaz de absorber la energía cinética, amortiguando así los impactos de las masas de roca. La alta resistencia de la malla es necesaria para transferir las solicitaciones resultantes del derrumbe o el estallido de rocas, hacia los anclajes y evitar la rotura por punzonamiento.
Con el objetivo de utilizar esta malla de alto rendimiento como un producto estándar para sostenimiento subterráneo ha sido necesario desarrollar un método seguro, rápido y automatizado de instalación. El objetivo de este trabajo es proveer a gestores responsables de los trabajos mineros de interior una solución eficiente que permita instalar rollos de mallas romboidales de alta resistencia. Además, fue considerado como necesario que el nuevo dispositivo de sujeción/aplicación de la malla (mesh handler) pueda estar integrado al equipo de perforación común empleado en las minas subterráneas, obviando así la necesidad de adquisición de nuevos equipos.
Malla romboidal y de alta resistencia para sostenimiento subterráneo
La malla romboidal de simple torsión TECCO® está fabricada con alambre de acero de alto límite elástico (1770 MPa) y de 4 mm diámetro. Este alambre de acero tiene una resistencia excelente tanto al corte como contra impactos. La apertura de la malla tiene forma romboidal y a lo largo de los bordes laterales del rollo, los alambres se cierran de manera que los extremos sean tan fuertes como la malla misma.
La malla es suministrada en rollos y puede ser fabricada en anchos hasta 5m y en longitudes a medida. El empleo de alambre de alto límite elástico permite que la malla sea muy ligera en relación con su resistencia. Para la protección contra la corrosión el alambre tiene un recubrimiento especial de aleación de Zn/Al, lo que le aporta una durabilidad muy superior al extragalvanizado al Zn convencional.
La geometría de dicha malla fue diseñada de manera que tenga una resistencia altísima a cargas de rotura, a la vez que se garantiza una deflexión controlada, evitando así las deformaciones o desplazamientos que ocasionan los desprendimientos o estallidos de roca. Las propiedades resistentes de la malla han sido caracterizadas a partir de varias series de ensayos de laboratorio en la Universidad de Cantabria en Santander, España y en LGA de Nürnberg, Alemania.
Ensayos realizados a la malla de alta resistencia Tecco®
Para la determinación de las propiedades mecánicas de la malla de acero de alta resistencia TECCO® se realizaron series de ensayos tanto estáticos como dinámicos en la Western Australian School of Mines (WASM). Para el dimensionamiento del sistema de sostenimiento consistente de malla y anclajes se desarrolló un modelo numérico basado en elementos finitos, calibrado y verificado por el Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research (WSL).
Ensayos estáticos
Tres muestras individuales con tamaño de 1,3 m x 1,3 m de la malla de alta resistencia tipo TECCO® G80/4 son sometidas a esfuerzos mediante una placa de acero de 300mm x 300mm. El ensayo es descrito por Morton et al. (2007). La malla de alta resistencia TECCO® G80/4 (límite elástico de acero 1770 MPa) fue capaz de resistir cargas de 100 kN a 110 kN antes de fallar en la esquina de la placa de carga. En comparación, en el mallazo electrosoldado el fallo se produce a los 40 kN aproximadamente, y en una malla genérica de simple torsión de acero de bajo contenido de carbono (límite elástico de 450 MPa) se produjo sobre los 20 kN; aplicando el mismo principio de ensayo. Todas las muestras de mallas requieren un cierto desplazamiento inicial antes de entrar en carga. La rigidez tanto de la malla romboidal de simple torsión de alta resistencia TECCO® G80/4 como del mallazo electrosoldado resultó ser similar y depende más de las condiciones de sujeción que del tipo de la malla.
Se demostró que la malla de alta resistencia TECCO® G80/4 puede soportar un aumento de carga en caso de fallo de un alambre (unraveling test, Roth et al., 2004). Ensayos realizados en la Universidad de Cantabria y LGA (1998-2003) de esfuerzos a tracción directa en prototipos de mallas análogas demostraron que la malla alcanza los valores de resistencia máxima a la tracción, aun cuando los ensayos se realicen con uno o dos alambres previamente seccionados, sin que se produzca el destrenzado o destrefilado conocido como unraveling.
Ensayos dinámicos
Aplicando el método de transferencia del momento (Player et al., 2004; Thompson et al., 2004) la malla TECCO® G80/4 fue ensayada en las instalaciones de la WASM (Player et al., 2008). La malla se coloca en un bastidor de carga, donde un elemento de acero puede lanzarse en caída libre desde alturas diferentes sobre la malla. La prueba dinámica es completamente instrumentada con cámaras de alta velocidad, células de carga y acelerómetros.
Una masa de 1.000 kg (saco lleno con esferas de acero para rodamientos) impacta sobre la malla. Dicha malla se deforma de acuerdo con la carga aplicada y transmite las solicitaciones a los extremos. Las condiciones de sujeción son fijas e inamovibles para tener resultados repetibles y comparables. Bajo de esta configuración, la malla de alta resistencia TECCO® G80/4 fue capaz de absorber energías hasta 10 - 12 kJ, lo que corresponde a frenar un derrumbe de 1.000 kg que impacte a una velocidad de 4,5 a 5,0 m/s. El valor mencionado representa solamente la absorción de energía debida a la acción de la malla. En comparación, los mallazos electrosoldados (con diámetro de alambre de 5,6 mm y luz de 100 mm) mostraban capacidades de absorción de energía en el orden de 1 a 2 kJ bajo el mismo sistema de ensayo.
De forma adicional a los ensayos de laboratorio, durante los años 2012 y 2013 se han realizado ensayos de campo a escala natural en las instalaciones de Walenstadt (Suiza). El dispositivo ha permitido simular las acciones y solicitaciones que ejerce sobre la malla el fenómeno de estallido de rocas. Los valores de resistencia a solicitaciones dinámicas demuestran que la malla TECCO® reúne todas las condiciones necesarias para proteger las instalaciones de forma segura. Para la malla TECCO® G80/4 (Ø 4mm), la energía disipada ensayada en un panel de 0,75 x 0,75m está entre 10 – 12 kJ, y su elongación en el 8%.
Modelo numérico
Para la modelación numérica se utilizó un algoritmo capaz de simular grandes deformaciones e impactos dinámicos, un modelo basado en método de elementos finitos (MEF). Para la modelación de impactos dinámicos se aplica la segunda ley de Newton, junto con las propiedades de los materiales de cada componente. El software informático que contiene este algoritmo se denomina FARO y fue desarrollado por la ETH de Zúrich junto con el WSL (Volkwein et al., 2002).
El ensayo estático realizado por Roth et al. (2004) con la malla TECCO® de alta resistencia y una separación de anclajes de 1m x 1m, somete la malla a esfuerzos por un bastidor de acero tensionado hacia arriba. Estas pruebas fueron utilizadas para calibrar el modelo numérico. Con el modelo de MEF calibrado es posible llevar a cabo simulaciones dinámicas y pronosticar así solicitaciones, modos de fallo y deformaciones de diferentes componentes.
Mediante un modelo numérico calibrado de un sistema de sostenimiento subterráneo con un tipo específico de malla de alta resistencia es posible simular la respuesta dinámica para cualquier configuración y esfuerzos. Se permite ajustar los parámetros de entrada a los parámetros específicos de proyecto; y así, pueden ser determinadas tanto la distribución de los anclajes como las deformaciones máximas. Esto posibilita el dimensionamiento y un diseño adecuado para este tipo de sostenimiento subterráneo contra esfuerzos dinámicos. Es muy importante tener un sistema de sostenimiento con componentes que tengan comportamientos similares entre sí. Con el modelo numérico calibrado es posible combinar diferentes tipos de anclajes con la malla de alta resistencia, y determinar así si trabajan juntos bajo condiciones dadas. Debido a que siempre hay concentraciones de cargas en las placas de transmisión de fuerzas, pueden ser transmitidos esfuerzos mayores mediante el uso de placas especiales que permitan agarrar más alambres a la vez.
Instalación de malla de alta resistencia en túneles y galerías
La diferencia en la instalación de un mallazo electrosoldado y de una malla de simple torsión es la rigidez de la propia malla. La malla electrosoldada es relativamente rígida y se suministra e instala en paneles. La malla de simple torsión únicamente es rígida en una dirección pero permite enrollarla en la otra. Por esto, la malla de simple torsión se suministra en rollos y tiene que ser instalada de manera diferente en comparación con el mallazo electrosoldado.
Muchas veces se realiza una instalación manual de la malla simple torsión mediante plataformas elevadoras de tijera o mediante carretillas elevadoras telescópicas provistas con cestas, pero esto requiere una labor intensa. Por esta razón, se ha concebido una nueva manera de realizar el trabajo, que consiste en un equipo de instalación colocado en un brazo del jumbo, que permite tanto desenrollar la malla como sujetarla en la superficie del túnel o galería mientras es anclada al macizo rocoso con el segundo brazo del jumbo. El objetivo principal es garantizar la rapidez y la seguridad de la instalación con el fin de cumplir con los requerimientos de seguridad y productividad de la minería moderna.
Instalación manual de la malla de simple torsión
Para instalar malla de simple torsión primeramente hay que desenrollarla alrededor del perfil de la galería y sujetarla a los anclajes. Muchas veces, durante la instalación manual, los anclajes se colocan antes que la malla para posteriormente sujetarla a los mismos. Para este propósito, se utilizan habitualmente las citadas plataformas elevadoras de tijera o carretillas elevadoras telescópicas equipadas con cestas.
Estos métodos tienen la desventaja de ser bastante lentos y requerir mucho trabajo. Además, es difícil llegar a la tensión óptima de la malla, lo que es importante para minimizar tanto el mantenimiento como los costes. Adicionalmente, los trabajadores tienen que instalar la malla en un entorno aun no protegido falto de medidas de seguridad suficientes.
Instalación totalmente mecanizada con equipo de instalación de malla
Para poder mecanizar la instalación se ha desarrollado un equipo automatizado que permite la instalación de los rollos de malla de acero de alta resistencia TECCO® G80/4, que ha sido probado con éxito en minas de Australia, Sudáfrica, Chile y Perú para la utilización en trabajos de sostenimiento subterráneo. Este equipo, compatible con un jumbo de brazos múltiples, sirve para colocar la malla enrollada en una bobina. El eje central del rollo de malla es ensamblado a un brazo del jumbo, mientras que la perforadora es instalada en un segundo brazo. La instalación de malla y la colocación mecanizada de los anclajes se realiza al mismo tiempo.
El primer brazo lleva el dispositivo que sostiene el rollo de malla y lo va desenrollando a lo largo del perfil de la galería (de forma transversal al eje). Para ajustar la malla entre los anclajes, el manipulador permite tensionar y soltar la malla por rotación de la bobina hacia delante y hacia atrás. Mientras tanto, el segundo brazo puede anclar la malla al macizo rocoso. Este proceso es ejecutado paso a paso con el fin de tensionar la malla tanto como sea posible y así adosarla de manera correcta a la superficie de la excavación. Este sistema reduce:
- el trabajo manual
- la exposición de personal en zonas peligrosas durante el proceso de instalación
- el tiempo del ciclo de sostenimiento
Instalación in-situ
Para poner el equipo de instalación de malla en marcha y probarlo, se realizaron ensayos en condiciones reales en una mina de interior en el oeste de Australia, con malla romboidal de simple torsión de alta resistencia TECCO® G80/4 y con 2 m de ancho del rollo. El equipo fue ensamblado a un jumbo Sandvik con dos brazos, que pertenecía a la empresa minera. En uno de los brazos se colocó el dispositivo de instalación. El circuito hidráulico existente fue utilizado para el control de dicho equipo.
En esta primera prueba, se plantearon dudas sobre si la malla formaría bolsas y permitiría que grandes bloques o detritus de rocas se acumulasen. El ensayo a escala natural mostró que no era así, y tan pronto como la malla se había anclado a los hastiales y clave de la galería, se comprobó que la membrana se adosaba a la superficie del macizo rocoso y que estaba bien sujeta por la tensión aplicada durante el proceso de instalación.
Esta primera instalación in-situ demostró que es posible instalar una malla de alta resistencia en menos tiempo que un mallazo electrosoldado estándar, aun cuando el operador del jumbo utilizó el equipo de instalación combinado con la perforadora por primera vez. Es, además, muy interesante ver como casi de forma inmediata el operador adquiere habilidades y el rendimiento aumenta considerablemente. Con la optimización del proceso de instalación ha sido posible alcanzar un ciclo de sostenimiento mecanizado con malla de alta resistencia aún más rápido, garantizando no comprometer la seguridad de la operación.
Conclusiones
- Sobre la base de los resultados de los ensayos realizados con la malla romboidal de simple torsión de alambre de acero de alta resistencia, tanto estáticos como dinámicos, se verificó que dicho tipo de malla es adecuado en áreas de posible derrumbe, estallido de rocas o en ambientes de interior de alta deformabilidad con importantes solicitaciones de esfuerzos.
- En contraste con el hormigón proyectado o el refuerzo mediante el empleo de láminas de fibra gruesa ancladas, el macizo rocoso queda visible para ser inspeccionado cuando sea necesario.
- Para un sistema de sostenimiento contra derrumbes parciales, han de dimensionarse tanto los anclajes que junto con las placas de reparto adecuadas han de ser combinados con dicha malla de alta resistencia. Este sistema de sostenimiento puede ser diseñado mediante el modelo numérico calibrado descrito anteriormente.
- Con el método de instalación mostrado, este tipo innovador de malla puede ser instalada de manera más simple y segura que los métodos de sostenimiento usualmente aplicados en interior.
- Debido a la aplicación mecanizada de la malla se reduce el tiempo de instalación del sostenimiento. Además, pueden utilizarse jumbos estándares. Esta aplicación permite ciclos optimizados de trabajo y ampliación de la separación entre anclajes.
- El mismo tipo de malla de alta resistencia, pero compuesta por alambre de menor diámetro, podría ser utilizada como malla de refuerzo del hormigón proyectado, en el caso que así se desee o requiera.
- Se concluye que tanto la malla romboidal de alta resistencia como su instalación totalmente mecanizada puede aumentar considerablemente la seguridad del personal, así como la calidad del sostenimiento instalado, incluyendo su optimización por el dimensionamiento apropiado y adecuado a los potenciales mecanismos de fallo, y la eficiencia en el desarrollo de la operación minera.
Bibliografía
- Morton, E., Thompson, A., Villaescusa, E.; Roth, A. (2007) Testing and analysis of steel wire mesh for mining applications of rock surface support. ISRM Symposium, Lisbon, Portugal.
- Morton, E. (2008) Test report on static testing of Tecco mesh G80/4. Western Australian School of Mines (WASM) (pp. 1-15).
- Player, J., Villaescusa, E., Thompson, A. (2004). Dynamic testing of rock reinforcement using the momentum transfer concept. Ground Support Symposium, Perth, Australia ( pp. 327-339).
- Player J., Morton E., Thompson A., Villaescusa E. (2008). Static and dynamic testing of steel wire mesh for mining applications of rock surface support. The Sixth International Symposium on Ground Support in Mining and Civil Engineering Construction. Cape Town, South Africa (pp. 693-706).
- Player, J. (2007). Test report on dynamic testing of Tecco mesh. Western Australian School of Mines (WASM) (pp. 1-24)
- Roth, A., Windsor, C., Coxon, J., de Vries, R. (2004). Performance assessment of high-tensile steel wire mesh for ground support under seismic conditions. Ground Support Symposium. Perth, Australia (pp. 589-594).
- Ruegger, R. (1999). Penetration tests of the Tecco mesh with four plates, Test Report. Ruegger Systems, St. Gallen, Switzerland (pp. 1-8).
- Thompson, A., Player, J., Villaescusa, E. (2004). Simulation and analysis of dynamically loaded reinforcement systems, Ground Support Symposium. Perth, Australia (pp. 341-355).
- Torres, J. A. (2002) Tecco mesh, evaluation Tecco G80, technical report, Universidad de Cantabria. Santander, España (pp. 1-27).
- Villaescusa, E. (2003). Personal communication with Prof. Dr. Ernesto Villaescusa, Western Australian School of Mines (WASM), undated picture from Mt Isa Mines.
- Volkwein, A., Anderheggen, E., Grassl, H. (2002). Numerical simulation of highly flexible rockfall protection systems, 5th World Congress on Computational Mechanics. Vienna, Austria (pp. 224-230).
