Los operadores pueden elegir a partir de una mayor variedad de opciones y equipos de apernamiento ahora más que nunca—el desafío es identificar la mejor solución para las condiciones locales de la roca
Por Simon Walker, Editor en Europa

En Mayo, E&MJ analizó de cerca la tecnología de hormigón proyectado, que se está viviendo cada vez más un medio preferido de entibado de terreno en situaciones apropiadas. Sin embargo, el hormigón proyectado rara vez se usa solo. Especialmente donde se necesita un soporte de largo plazos, con pernos para roca normalmente formando una parte integral de un paquete de control de terreno.

Como con el hormigón proyectado, la tecnología de anclaje en roca ha evolucionado con los años, con pernos de anclaje de punto estándar siendo superados por sistemas más sofisticados y duraderos. Eso no significa, ciertamente, que no quede lugar para el sencillo sistema casco-mecánico: lejos de eso, con su ventaja de una fácil instalación y bajo costo a menudo pesando más que sus desventajas donde los condiciones de la roca son  las apropiadas. Igualmente, los pernos simples unidos con resina, con hilo, tienen sus propios usos específicos, especialmente donde la necesidad de soporte es a corto plazo, como en una cámara abierta.

Sin embargo, el principio fundamental detrás del anclaje en roca sigue siendo el mismo. El concepto de reforzar la masa rocosa para que se mantenga unida por sí misma es válido ahora tal como lo fue cuando debutó el anclaje en roca, en la década de 1980. Algunas fuentes dan crédito a la idea de que usar pasadores metálicos asegurados con cuñas para reforzar las masas rocosas como en los tiempos de los Romanos, aunque es difícil asociar esto con la tecnología de perforación disponible entonces. Es casi seguro que las minas de carbón en Silesia (ahora en el sur de Polonia pero en aquel entonces territorio Germano) hayan usado el anclaje en roca, como se informó en un artículo presentado en 1918.

En los Estado Unidos, las minas de carbón vieron rápidamente las ventajas de la roca auto-soportada sobre vigas pasivas y arcos de acero, mientras que el sector de la roca dura parece haber sido más lento en su aplicación. Uno de los primeros principales usuarios del concepto en los EEUU fue la innovadora St. Joe en la región de Lead Bel, Missourit; el anclaje en roca se usó en algunas de sus operaciones durante la década de los ‘20s y los ‘30s, con W. W. Weigel informando sobre la puesta en práctica y el éxito de crear vigas auto-soportantes sobre el transporte terrestre en un artículo emblemático publicado en la edición de Mayo de 1943 de E&MJ.1

Incluso ya en los ’50, la minería en roca dura de los EEUU seguía reticente a abandonar su tradicional viga de madera por pasadores de acero delgado. En un trabajo presentado en el segundo simposio Norteamericano de mecánica de rocas en Abril de 1957,2 Howard Schmuck de Colorado Fuel and Iron Corp. indicó que de los 3 millones de pernos instalados cada mes en las minas de los EEUU, sólo alrededor del 3% se estaban usando en un sector que no fuera el carbón.

“El anclaje en roca en minas metálicas no ha tomado el control hasta el punto que lo ha hecho en las minas de carbón, pero en los últimos cuatro años su uso en estas minas ha aumentado muy rápidamente, hasta hoy en día en que se usan seis veces más pernos por mes que a principios de 1953,” dijo Schmuck. “Originalmente, la mayor parte del anclaje en roca en minas metálicas se hacía en galerías de trazado y caminos de acarreo, pero su uso en construcción de cámaras subterráneas ahora está ganando terreno rápidamente.”

Y ese fue sólo el comienzo de ello. Hoy, sería difícil encontrar una mina subterránea donde el anclaje en roca no sea la norma; excepto en situaciones puntuales, el enmaderamiento es historia en la mayoría de los casos.

Avances de la Tecnología de los Pernos
Como diría cualquier libro de texto, existen esencialmente tres diferentes tipos de pernos para roca disponibles: mecánicos, cementados y de fricción. Cada uno tiene sus ventajas y desventajas en términos de capacidades técnicas y durabilidad, así como implicaciones de costos. A fin de proporcionar un marco de antecedentes, lo siguiente es una breve descripción de cada sistema.

Mecánico—El primero, y por consiguiente el más simple, de los sistemas que se comenzó a usar ampliamente. Los pernos de ranura y cuña vinieron fueron reemplazados por  pernos con cabeza de expansión. La gran ventaja de los pernos mecánicos era su velocidad de instalación en un momento en que los sistemas de soporte pasivo aún eran ampliamente usados; perforar el agujero, insertar el perno y l aplaca de superficie, apretar la tuerca y eso era todo. El fraguado con materiales basados en cemento podría usarse como un medio secundario para proteger el acero del perno de la corrosión y aumentar la longitud de enlace. Sin embargo, esta simplicidad llegó a costa de la integridad, especialmente cuando la masa rocosa que se apernaba era propensa a astillarse. Todos habrán visto esta situación cuando salta a la vista el exceso de pernos que no dan soporte alguno porque la roca que porta la placa se ha enflaquecido.

Fraguado—Reconociendo que el anclaje por puntos tuvo esta importante desventaja, el concepto de fraguar completamente el perno dentro del agujero entró al ruedo en los ‘60s. El uso inicial fue específico para proyectos, principalmente debido a la cantidad de tiempo requerida para que el fraguado de cemento se endurezca y se cure lo suficiente para la tensión que se le aplicará al perno. La solución, que ganó en popularidad diez años después, fue la resina, que se curaba más rápido y era más simple de manejar pero era más cara. Las resinas inyectables en la masa fueron reemplazadas por productos encapsulados, con resinas de diferentes tiempos de curado siendo usadas para anclar el perno en el agujero y brindar adherencia acero-a-roca a lo largo de lo que queda de la longitud del perno.

Fricción—Tipificados por los sistemas Split Set y Swellex, los pernos de fricción se basan en el contacto en toda su longitud entre el perno y la roca para brindar el soporte requerido. La principal ventaja de ambos tipos es su fácil instalación, usándose el taladro para forzar que tubo Split Set quede en su lugar mientras Swellex se basa en agua a alta presión para expandir su tubo de acero contra los lados del agujero.

Establecer cual sistema es más adecuado para una operación en particular depende en gran medida de parámetros locales. La ubicación (pared lateral de acarreo o parte posterior de la bancada, por ejemplo), la capacidad de la masa de roca en el lugar, la presencia de empalme o laminación claramente definidos, y la cantidad de tiempo para la cual se requiere soporte activo son factores que deben considerarse. La economía también jugará un papel aquí, ya que no tiene sentido invertir en una opción de alto costo y largo plazo si sólo se necesita una solución de corto plazo. Se sobrentiende que lo contrario también es verdad: un soporte inicial inadecuado puede ocasionar altos costos de largo plazo.

Quizás los avances recientes más importantes en la tecnología de pernos han sido los sistemas que pueden ser reconocidos y compensados por repentinos movimientos de la masa rocosa tales como los estallidos de roca. Rockex de Atlas Copco es uno de tales, mientras desde Australia, el diseño Dynamic de Garford de perno flexible está dirigido a un mercado similar. Estos son, por supuesto, diseñados para un segmento muy específico del mercado, donde las tensiones de la masa rocosa y los patrones tensión-alivio son tales que la deformación controlada del perno puede proporcionar un mecanismo de seguridad y un soporte activo continuo incluso después de liberar la tensión.

Diseño del Sistema
Desde sus primeros días, el diseño del soporte para techos basado en anclaje en roca a menudo se apoyó en normas generales que habían resultado satisfactorias en ciertas situaciones. Ejemplos típicos podrían incluir:
•    La regla del túnel Mont Blanc, que establece que la longitud de un perno para roca debiera ser un-medio a untercio de la anchura de la galería;
•    La regla de Bieniawski de que la relación perno-longitud a perno-espaciamiento es aceptable entre 1.2:1 y 1.5:1 en minería; y
•    La conclusión de que un perno mecánico para roca instalado 30° fuera del encuadre de la cara de la roca puede entregar solamente un 25% de la tensión de soporte producida por un perno comparable taladrado directo en la roca, a menos que se use una golilla esférica.

Sin embargo, aunque reglas como estas pudieron haber sido adecuadas en el pasado, el entendimiento de cómo reaccionan las masas rocosas durante la extracción ha implicado que los sistemas de soporte puedan diseñarse de manera mucho más específica. En una ponencia presentada en la conferencia AIMS 2008,3 J. Ran y R. Sharon describieron cómo Barrick Gold diseña el soporte de anclaje en sus faenas subterráneas.

Desde el 2005, cada una de las minas subterráneas de la compañía ha tenido un plan de manejo de control de terreno implementado, ellos dijeron, indicando que la “instalación de elementos de entibado de terreno, y/o sistemas de soporte, es un componente importante del control de terreno y debiera manejarse eficazmente de una forma sistemática e integral. Este plan cubre todos los aspectos geotécnicos incluyendo recolección de datos, diseño de entibado de terreno, normas, procedimientos, programas de control de calidad, capacitación y temas de diseño de la mina.”

Analizando los tipos de entibado de terreno usados en las minas de Barrick, los criterios de selección deben considerar lo siguiente:

•    Condiciones de la demanda, tales como requerimientos de diferentes excavaciones y condiciones ambientales esperadas, incluyendo cambio significativo de tensión inducido por la extracción, o corrosión excesiva;
•    Características de rendimiento de elementos de soporte tales como rigidez, solidez, resistencia a la corrosión y susceptibilidad a repetidos niveles altos de vibración; y
•    Factores operacionales, incluyendo habilidades del personal, equipos disponibles, compatibilidad y mantención de equipos, y oferta local de productos de soporte.”

Puesto de otra forma, no hay una enfoque de metodología para todos en el diseño de soporte con perno para roca. Cada faena tiene que ser considerada individualmente, de tal forma que la compañía utiliza una amplia variedad de tipos de pernos a lo largo de sus minas, y a veces dentro de minas especificas, según lo requieran las condiciones. Por ejemplo, los pernos de barras de barras de refuerzo fraguados con resina comúnmente los usan en sus minas Norteamericanas, pero con menos frecuencia en Australia, donde se prefiere usar pernos de fricción. En algunas de sus minas en Australia también fraguan sus pernos de fricción para aumentar la resistencia de sujeción, y una de ellas instala pernos Garford Dynamic para ayudar a controlar los efectos de la sismicidad de la masa rocosa.

Las minas Norteamericanas de Barrick también son grandes usuarios de Swellex, usando pernos Swellex revestidos en plástico en sus operaciones en Nevada, donde la corrosión es un problema. El anclaje con cables cementado es ampliamente usado en intersecciones y para soportar aberturas amplias.

Ran y Sharon indicaron que “metodologías tradicionales de diseño se han aplicado con éxito en operaciones que son relativamente simples y experimentan buenas condiciones de suelo. La metodología de clasificación de la masa rocosa h asido ampliamente utilizada para diseño de entibado en diferentes condiciones de terreno, pero tiene limitaciones en su validación cuando las condiciones se tornan cada vez más difíciles. Modelos numéricos sofisticados pueden brindar una guía extra para controlar perfiles complejos de excavación en un masa rocosa estructuralmente compleja y/o de mala calidad, pero estos requieren un alto grado de habilidad y experiencia para entregar resultados confiables.

“Avances hechos en la práctica de la mecánica de rocas han llevado a mejoramientos en los principios y en la metodología para diseñar y seleccionar entibado. Sin embargo, cada faena tiene un ambiente minero único, y la respuesta del terreno al entibado es compleja y a menudo no totalmente comprendida. Como resultado, la aplicación de entibado en el terreno varía a través de una amplia gama, y el diseño y selección del entibado en gran medida siguen basándose en la experiencia,” dijeron.

Sistemas Especializados
Las minas explotadas en ambientes de roca con alto nivel de solicitación presentan desafíos particulares en términos de sus necesidades de entibado. Los estallidos de roca no son solamente un fenómeno de las profundidades de la mina, sino que reflejan el régimen local de tensión de las rocas. Ser capaz de mantener un nivel de soporte luego de una liberación de alta energía significa que la infraestructura de la mina puede sufrir menos daños, como también reducir la cantidad de trabajo de reparación que será necesario.

El sistema Roofex de Atlas Copco, lanzado a fines del 2008, está diseñado para brindar soporte en nuevas excavaciones subterráneas profundas en roca de mala calidad o en áreas propensas a eventos sísmicos. El perno Roofex consta de una barra de acero dentro de una funda plástica lisa que es fijado dentro del agujero con cemento o lechada de resina. Un amortiguador de energía permite que el perno se extienda hacia afuera bajo carga, mientras mantiene su capacidad de carga, permitiéndole así amortiguar los desplazamientos repentinos y la deformación plástica gradual dentro de la masa rocosa que está siendo entibada. La capacidad de desplazamiento puede ser pre-seleccionada durante la fabricación, acota Atlas Copco, así los pernos pueden ser diseñados para ambientes de tensión específicos.

Desde Australia, el perno sólido Dynamic de Garford también presenta capacidad de absorción de energía. El sistema es suministrado como un perno sólido con un dispositivo dinámico, tubo de polietileno, dispositivo mezclador de resina, tuerca de pasador de sujeción y bola de domo incluido. Si ocurre un evento sísmico, el perno puede moverse a través del dispositivo dinámico, permitiéndole absorber la energía y permanecer intacto. El manguito de polietileno permite al perno deslizarse a través del dispositivo dinámico, lo cual, como es mecánico, significa que la absorción de energía puede repetirse si se acumula tensión otra vez.

En una ponencia presentada en la Décima Conferencia de Operadores Subterráneos sostenida en  Tasmania el 2008, R. Varden et al describió el uso del perno Dynamic de Garford en la mina de oro Kanowna Belle en Australia Occidental.4 De propiedad de Barrick Gold desde que absorbió a Placer Dome en el 2006, Kanowna Belle es una operación profunda de galerías abiertas situada dentro de un ambiente de alto nivel de tensión.  

El creciente riesgo de sismicidad mientras la mina se vuelve más profunda dio lugar a una evaluación de sistemas alternativos de soporte que puedan manejar eventos de pérdida de tensión mejor que los métodos perno-fricción que habían sido usados anteriormente. La selección del perno Garford unido con resina se basó en una serie de factores, incluyendo su compatibilidad con los equipos de perforación-explotación existentes, lo que significó que la misma configuración podría usarse tanto para perforación de superficie como para soporte.

El sistema se probó en las instalaciones de pruebas dinámicas de la Western Australian School of Mines, donde posteriormente se presentó al perno Garford como parte del método inicial de soporte para explotación. No fue exitoso en todas las situaciones, informó el autor, pues se encontraron problemas al intentar instalar los pernos en suelo que ya había sido fracturado por actividad sísmica anterior. No obstante, concluyeron, “Kanowna Belle ha implementado exitosamente un sistema de soporte bien probado, de un paso y dinámicamente capaz como parte de el ciclo de explotación en la mina.”

Ciertamente, el anclaje en roca no es solamente acerca del acero y de cómo repararlo. Perforar el agujero es una parte crítica de la operación, una parte que puede tener una implicación significativa en el costo total de instalación de pernos si el equipamiento prueba ser inapropiado para las condiciones de la roca.

Brady Mining, con sede en Utah, EEUU, ofrece una solución, al menos para operaciones donde se transporte piedra caliza, pizarra, potasa, sal gema o rocas sedimentarias similares. La compañía afirma que sus fresas de broca de diamante policristalino (PDC), diseñadas específicamente trabajos de anclaje en roca, pueden perforar hasta 300 veces más tiempo que las brocas convencionales de punta de carburo de tungsteno, al mismo tiempo que reducen sustancialmente la generación de polvo y los niveles de ruido.

El director gerente de la compañía, Russ Myers, explicó a E&MJ cómo sus brocas PCD difieren de las brocas de carburo de tungsteno en operación. “La rotación despunta rápidamente una broca de carburo-tungsteno, así que con el tiempo se tiene que usar más energía para forzar los barrenos de perforación en el agujero,” dijo. “PCD es diferente en que la broca se mantiene afilado por mucho más tiempo; cuando la capa exterior de cristales se desgasta, aparecen nuevos cristales afilados debajo de ellos.”

Reconociendo que el carbón sigue siendo el principal mercado de Brady, Myers agregó que la compañía está ampliando su oferta para minas que trabajan en otros tipos estratificados de yacimientos. “Hemos eliminado la perforación por percusión para el anclaje en roca en las operaciones de piedra caliza en los EEUU, y actualmente estamos probando nuestra tecnología de brocas en la minería metálica Europea,” dijo.

Brady afirma que la perforación giratoria con sus brocas PCD ofrece importantes ventajas por sobre el uso de brocas convencionales en términos de productividad, en aplicaciones de perforación tanto seca como húmeda. Se necesitan menos cambios de broca, a la vez que se reducen las necesidades de mantención de la perforadora y se prolonga la vida del barreno de perforación.

Historias Recientes de Éxito
La empresa Polaca Mine Master produce una línea de cuatro modelos de equipos de anclaje en roca, que han sido diseñados en conjunto con el especialista americano en este campo, J.H. Fletcher. El año pasado Mine Master informó que se había adjudicado un contrato adicional de unos productores de esquisto bituminoso de Estonia, llevado un total de seis de sus equipos Roof Master 1.7 a trabajar en ese país.

Mine Master afirma que las máquinas que trabajan en entradas de 2.6–2.7-m de alto bajo condiciones techo altamente variables, han estado instalando alrededor de 100 pernos de 2,2 m de largo por turno. La compañía también informó haber ganado un segundo pedido de parte de la faena aurífera Altynken en Kyrgyzstan por un equipo Roof Master 1.7, que está equipado con una pluma telescópica Fletcher y un taladro para trabajo pesado.

Fletcher, reconocido hace tiempo por su experticia en equipos de anclaje en roca para la industria del carbón, se expandió a los sectores mineral-industrial y de roca dura a principios de la década del 2000. Hoy en día, la compañía produce dos series de equipos de anclaje en roca que apuntan a este mercado: la Serie 3000, en que todas las operaciones de perforación e inserción de pernos se hace remotamente desde la cabina del operador; y la Serie 3100, que tiene una estación de cestos para que el operador instale la resina y los pernos una vez que los agujeros hayan sido perforados remotamente.

Ambas series tienen capacidad de alta elevación, con la 3000 diseñada para operar en alturas de abertura de hasta 35 ft (10,7 m) mientras la 3140 puede alcanzar incluso más arriba—hasta 40 ft (12,2 m). La serie 3100 también está equipada de forma que el operador pueda hacer avanzar poco a poco la máquina de posición en posición desde el cesto, sin tener que volver a la cabina principal.    

Desde Sudáfrica, Sandvik informó el año pasado que el contratista Murray y Roberts Cementation había estado usando exitosamente uno de sus equipos DS310 de anclaje en roca para instalar soporte durante el trabajo de explotación de la faena Hotazel Manganese Mines en la provincia Septentrional del Cabo. El proyecto incluyó perforar tres túneles a través de una sección intervenida de la mina Wessels para acceder a nuevas reservas subterráneas.

Antiguamente designado como Robolt 5-126 XL, el DS310 es un apernador de roca modular compacto, operado por una persona, diseñado para instalar todos los tipos más comunes de pernos para roca en frentes de avance pequeños y medianos, dijo Sandvik. Las condiciones de la roca en Wessels son particularmente severas, y cuyos estratos del techo consisten en mineral de hierro bandeado. Aunque la duración de sus brocas se vio reducida significativamente a consecuencia de esto, la máquina estuvo instalando un promedio de 60 pernos de 5m de largo por turno, indicó la compañía, arrojando un 95% de disponibilidad y un 81% de utilización.

Aunque no son propensos a estallidos de roca, los depósitos con evaporita masiva tales como los de sal y potasa presentan otros problemas de estabilidad de su masa rocosa, tales como la fluencia y la convergencia en el largo plazo. Atlas Copco probó sus sistema Roofex en la mina de potasa  Vilafruns de Iberpotash en España bajo estas condiciones, y fue capaz de mostrar que podía manejar problemas de fluencia gradual que los pernos para roca convencionales eran incapaces de tolerar.

Trabajando a una profundidad de entre 600 y 900 m, Vilafruns es una faena de cámaras y pilares de extracción continua que produce cámaras de 7–8 m de ancho y hasta 5,5 m de alto. Las pruebas con Roofex comenzaron el 2007, con Atlas Copco informando el año siguiente que, mientras que los pernos de resina convencional fueron apretados en exceso por los movimientos de convergencia de 50–60 mm durante cuatro a seis semanas, los pernos Roofex eran capaces de ajustarse a estos movimientos de roca y continuaron brindando soporte.

Velocidad y Seguridad
Como la velocidad es la clave económica para instalar soporte de techos en las minas mecanizadas de hoy en día, la clara tendencia es hacia reducir el número de operaciones separadas que se necesitan. En este contexto, los pernos de fricción tienen una clara ventaja, puesto que la misma máquina se usa para perforar el agujero y empujar el perno a su posición final. Por el contrario, los cables o pernos fraguados con cemento involucran un proceso de instalación mucho más complejo. Los pernos unidos con resina ofrecen un punto intermedio, pero cápsulas de resina deben ser instaladas en la secuencia correcta y mezcladas cuidadosamente para que el pernos sea totalmente efectivo. Curiosamente, en su presentación en AIMS, Ran y Sharon indicaron que, debido a los problemas para encontrar la mezcla adecuada de cartuchos de resina, ha habido un renovado interés en el uso de resina bombeable.

No es de extrañar, entonces, que los principales fabricantes de equipos de anclaje en el mundo se hayan enfocado en desarrollar máquinas que puedan minimizar el número de etapas de instalación para un sistema de anclaje dado.  En este contexto, la minería de roca dura presenta diferentes desafíos para el sector del carbón, cuando menos en términos de alturas normales de operación para instalar soporte de techos.

La tecnología de anclaje en roca ha recorrido un largo camino. Los operadores tienen una mayor gama de opciones disponibles. Lo que importa por sobre todo es que el sistema seleccionado haga el trabajo para el que fue hecho: brindar seguridad en el largo plazo a la operación y a las personas que trabajan debajo.

Referencias
1.    Weigel, W.W., “Channel Irons for Roof Control,” E&MJ; 144 (5); May 1943.
2.    Schmuck, H. K., “Theory And Practice Of Rock Bolting,” 2nd U.S.  Symposium on Rock Mechanics, April 21–24, 1957, Golden, Colorado.
3.    Ran, J. and Sharon, R., “Underground Support Applications at Barrick Gold,” 6th International Symposium on Rock    bolting in Mining and Injection Tech    nology and Roadway Support Systems, May 14–15, 2008, Aachen, Germany.
4.    Varden, R., et al, “Development and Implementation of the Garford Dynamic Bolt at the Kanowna Belle Mine,” 10th Underground Operators’ Conference, April 14–16, 2008, Launceston, Tas    mania, Australia.

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