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INTRODUCCIÓN
Desde la antigüedad, el hombre viene explotando los recursos minerales que la naturaleza le
ofrece. Generalmente, la metodología más barata consiste en la explotación desde superficie
de los afloramientos de mineral con el sistema conocido por cielo abierto.
Otras veces, la disposición de la capa o del filón de mineral obliga a su explotación
subterránea. Mientras el mineral no se encuentre a excesiva profundidad, el método de
extracción de mineral más habitual es por ejecución de rampas, galerías y túneles que
permitan el acceso hasta la zona de minado. Hay momentos en que esta distancia se hace
excesiva debido a la profundidad a la que empieza a encontrarse el mineral. Esto se acentúa
aun más cuando los sondeos diamantinos que se efectúan desde dentro de las explotaciones
acceden a nuevas zonas aun más profundas en las cuales el mineral está presente. Llegado
este momento, uno se ve obligado a
replantear el sistema de extracción. La alternativa más usual es emplear un sistema de pique
vertical que permite el acceso de los operarios a las zonas más profundas de un modo más
rentable y rápido, extrayendo el mineral por izado de vagones o skip, bien hasta superficie,
bien hasta niveles intermedios.
Por ello es frecuente que ciertas minas, a medida que transcurren los años y ven que sus
reservas minerales van quedando cada vez más profundas, se replanteen la sustitución de su
sistema de extracción habitual por el de izado por piques.
También cabe comentar que las técnicas actuales de exploración mediante sondeos
diamantinos que alcanzan grandes distancias permiten cubicar las reservas existentes más
profundas y con mayor exactitud, pudiéndose por tanto planificar la mina con más rigor y
decidir de antemano qué tipo de equipamiento va a ser el más adecuado para la extracción del
mineral durante toda la vida de la mina.
Esto es lo que sucedió en el caso de la Hullera Vasco Leonesa, de la que se habla en este
trabajo, en la cual el mineral, investigado con los sondeos de exploración, se encuentra a tal
profundidad que obliga al empleo de dos nuevos piques verticales.
La S.A. Hullera Vasco-Leonesa, empresa íntegramente privada, explota una mina de carbón
desde hace más de 100 años en el norte de España, en la provincia de León. En la última
década se ha dedicado a preparar una nueva mina, vista la cercanía del agotamiento de las
anteriores. Este proyecto, el mayor de Europa de esta naturaleza, supone unainversión total
cercana a los 50.000 millones de PTA (300 millones de euros).
La primera parte del proyecto consistió en la ejecución de dos piques verticales, y
simultáneamente con esta obra, se realizó un conjunto de unos 2700 m de galerías y planos
inclinados, correspondientes a la primera fase de preparación.
Estos 2 piques tienen 6,5 m de diámetro útil y 664 y 694 m de profundidad. Como peculiaridad,
cabe citar la baja calidad geotécnica de los terrenos atravesados durante la excavación de
ambos.
El pique Aurelio del Valle dispone de una torre de extracción de 51,2 m de altura, dotada con
polea Koepe y máquina de extracción situada dentro de ella. La profundidad del pique es de
664 m, arranca en superficie de La cota 1166 m.s.n.m. y tiene 3 embarques en las cotas 976,
737 y 553 m.s.n.m, desde los
cuales se accede a los diferentes niveles de la explotación. Su realización comenzó el 14 de
noviembre de 1991 y finalizó en mayo de 1994. La misión del mismo es la de entrada de aire
limpio de ventilación, entrada y extracción de personal y
vagones de materiales, y trasvase de mineral mediante skip entre el nivel inferior (P553
m.s.n.m.) hasta un nivel intermedio (P976 m.s.n.m.), situado a 190 m de profundidad, y desde
donde el mineral es vertido a una tolva que descarga sobre una cinta transportadora que lo
lleva hasta el lavadero. En la Figura 1, que aparece a continuación, se puede observar una
sección del pique Santa Lucía, hoy llamado pique Aurelio del Valle, con la disposición
inicialmente prevista de carga .
El pique Emilio del Valle emplea un castillete de 32 m de altura, con máquina de extracción
situada en el nivel de suelo y polea Koepe. Tiene una profundidad de 694 m, arranca de la cota
1.280 m.s.n.m., y tiene 4 embarques, situados a las cotas 978, 868, 741 y 615 m.s.n.m. Su
misión es la de permitir el transporte de personal y materiales a los diferentes niveles de
explotación, así como la extracción del aire viciado de la mina mediante un sistema de
ventiladores aspirantes. Se comenzó a ejecutar el 17 de diciembre de 1991 y se finalizó en
mayo de 1.994.
METODOLOGÍA GENERAL PARA LA EJECUCIÓN DE PIQUES VERTICALES
PARÁMETROS INICIALES
Primero se procedió a realizar una campaña de exploración para evaluar las reservas del
yacimiento. Para ello se efectuaron unos 57.000 m de sondeos, varios de ellos con
profundidades próximas a los 1000 m. A continuación se interpretaron los mismos y se hizo un
estudio geológico detallado y un modelo del yacimiento con las zonas susceptibles de ser
explotadas.
El yacimiento, como se puede ver en la Figura 4, consta de 2 zonas perfectamente
diferenciadas, que son dos sinclinales de alta complejidad denominados Llombera y Matallana.
El total de reservas de mineral es
de: 14,8 Mt muy probables, 75,7 Mt son probables, 55,7 Mt son posibles y 61,5 Mt son
hipotéticas. La producción permitida es de 2,5 Mt/año.
Una vez definido el yacimiento, se procedieron a estudiar los diferentes sistemas de extracción
posibles, analizando sus ventajas, inconvenientes y posibles inversiones. Finalmente se decidió
que unos de los sinclinales, el de Llombera, podía ser explotado con una producción de 3000
t/día, extrayendo el carbón con cintas transportadoras por un plano inclinado de 14º de
pendiente. En cuanto al personal y materiales, iban a ser introducidos y extraídos por jaula a
través de un pique vertical.
El otro sinclinal, el de Matallana, debería dar 5.500 t/día y el mineral será transportado con
vagones o con cintas transportadoras (según la zona) hasta una tolva de acopio, la cual
descargará sobre un skip que transportará el mineral hasta otro nivel superior.
Con estos parámetros se comenzó a diseñar la mina y a buscar la ubicación más adecuada
para los piques verticales y resto de infraestructuras.
Para confirmar que la posición de ubicación asignada a los piques era la idónea, se procedió a
perforar un sondeo vertical según el eje del pique y de su misma longitud, de modo que así se
pudiera saber con más exactitud los terrenos que se iban a atravesar, acuíferos, fallas, etc.
La metodología seguida para diseñar el sostenimiento de los piques verticales fue, por tanto,
la siguiente:
1. Establecer el modelo geológico del yacimiento y de la roca de caja que puede tener
influencia en las obras por ejecutar:
a. Realizar sondeos.b. Realizar mapa geológico.c. Determinar las características geológicas.
2. Realizar el modelo geomecánico de la zona influyente:
Ensayos sobre los testigos extraídos.
Establecer las propiedades geomecánicas de los diferentes litotipos y de las
discontinuidades.
Establecer los criterios de rotura de rocas.
Medición de las tensiones naturales del macizo rocoso.
3. Caracterizar el macizo rocoso.
4. Diseño inicial de la obra.
5. Diseño inicial del sostenimiento y del modelo matemático.
6. Análisis de los problemas que se pueden presentar. 7. Rediseñar la obra. 8. Puesta en
marcha de la obra:
Establecimiento de criterios iniciales.
Organización del seguimiento y control de la obra.
Selección y adquisición de la instrumentación de control.
Determinación de las campañas de auscultación y medición.
Establecimiento de un control de calidad de ejecución de obra y de materiales
empleados.
Con ayuda de este sondeo inicial, se determinó que uno de los piques no estaba en la posición
más adecuada, por lo cual se procedió a desplazar su eje del inicialmente previsto. También se
obtuvieron importantes datos sobre los terrenos por atravesar, de los cuales cabe destacar
que el terreno iba a estar formado en su mayor parte por lutitas blandas y areniscas, con algún
nivel de carbón y que, en el caso del pique Aurelio del Valle, se atravesaría un tramo de
conglomerados. Se determinó también que este pique iba a atravesar una falla importante a
los 215 m de profundidad (en contacto con la cual había 6 m de carbón sucio) y otra a los 365
m (acompañada de 7 m de carbón plegado y
arrastrado). Algo similar se determinó para el otro pique. En cuanto al buzamiento de los
terrenos estaba comprendido entre 30º y 80º. Respecto de las tensiones horizontales a las que
iba a estar sometida la excavación, éstas eran entre 1 y 1,7 veces superiores a las verticales.
Por último se determinó que, empleando la clasificación de Bieniawski, los terrenos
atravesados iban a ser en 228 m de longitud entre muy malos y malos con RMR menor que 20,
en 127 m de longitud malos con
RMR entre 20 y 40, en 119 m medios con RMR entre 40 y 60 y en unos 151 m de longitud el
RMR estaba en un rango comprendido entre roca mala y media. Los piques tienen las
siguientes zonas bien definidas y determinadas: brocal (boca del pozo), antepozo, pozo y
embarques.
OBJETIVOS
Los objetivos para el diseño del pique se basa a los aspectos geomecánicos.
-Desarrollar la mina en profundidad.
Incrementar las reservas y vida de la mina.
-Generar utilidades, trabajo y aporte al estado
Duración del pique en función con las reservas que debe extraerse.
La evaluación geomecánica nos garantiza la duración de labor sin sobre
dimensionar la sección y el sostenimiento (óptimo diseño y desarrollo).
Sección rectangular 3 x 1,5 mts. Siguiendo el buzamiento de la estructura
mineralizada.
ASPECTOS GEOLÓGICOS DEL MACIZO ROCOSO
GEOLOGÍA: Las minas generalmente está compuesto fundamentalmente de andesitas,
también acompañado de rocas volcánicas las cuales forman las rocas de caja.
LITOLOGÍA: Esta compuesta por rocas piro clásticas, rió líticos, riodacitos yandesitas; estas
rocas son de condición estable, pero también existen zonas de callamiento los cuales son
inestables.
ASPECTOS GEOMECÁNICA PARA EL DISEÑO DEL PIQUE
La apertura de una labor subterránea altera el campo de esfuerzos existentes en el macizo
rocoso al profundizarse las labores se incrementan las presiones que llegan a producir
esfuerzos que exceden la resistencia de las rocas, siendo necesario instalar el sostenimiento
(refuerzo o soporte
El pique de extracción es la parte mas importante minería subterránea y por el cual pasan
todos los suministros para la explotación tales como ventilación ,transporte de
mineral ,suministros y personas. Electricidad, aire comprimido, agua, bombeo.
Dada su importancia, debe de escoger su ubicación adecuadamente, su diámetro, el método
de profundización, el recubrimiento de las paredes del pique, el brocal, los enganches en los
niveles y la maquinaria de extracción . La capacidad del pique se diseñara pensando en
posibles ampliación de `reducción posteriores
SELECCION DE LA UBICACIÓN DEL PIQUE
Los piques de extracción no deben de ser afectados por las inundaciones, y para ello se analiza
la máxima venida de los cien años .También deben de situarse demasiado próximo a las
carreteras de gran circulación, ni en entornos industriales que puedan ser objeto de incendios
con gran producción de
humos. En los parajes boscosos con árboles incendiables,se talara un radio de unos 100 mt y se
eliminara la vegetación que puedas incendiarse, todo ello con el fin de evitar que entren
humos en la ventilación. Se analizaran todas aquellas cuestiones externas que pudieran poner
+en peligro la vida de los trabajadores y la integridad de la mina y que puedan influir en la
decisión sobre el emplazamiento del pique.
El numero mínimo de piques que deben de excavarse para la explotación son como mínimo
dos; para producción , personal, entrada de materiales, equipos y aire. El otro pique es para el
retorno del aire y como via adicional de escape. A veces es necesario la excavación de tres
piques cuando la extracción de la mina no permita una adecuada ventilación con dos piques .
Cuatro piques serán necesario cuando la producción doblen aproximadamente la capacidad de
eventualmente mina de dos piques con la mitad de producción .
DOS PIQUES
La posición central de los piques tienen las ventajas de menores costos de transporte y
recorrido menores de aire y de ventilación .Los pique deben de estar separados a menos unos
100 mt .
Sin embargo la nesecidad de dejar unos macizo de protección importantes reduce la reserva
explotables en yacimientos tabulares monocapa a profundidad moderada es la ubicación mas
eficaz.Una localización lateral ,a muro del yacimiento incrementa los costos de transporte y las
distancias de ventilación, pero no se hace imposible la explotación de la parte de las reservas
mineras por la existencia de los macizo de protección de los piques . El eje de la unión de los
piques será paralelo a la dimemcion máxima del yacimiento, y sin los piques son rectangulares
el eje mayor se pondra perpendicular a la corrida de la capa del filón, a la esquistocidad , a los
planos de sedimentación , y a los esfuerzos teutónicos regionales y planos de expoliación de
las rocas en presencia.
TRES PIQUES
El pique principal suele tener un diámetro mayor (7 a 8 mt) que losauxiliares de ventilación (5 a
6 mt)
Si el pique principal se pone en el centro de gravedad del yacimiento , los piques auxiliares se
colocaran en los extremos de la dirección de la corrida siempre que la longitud de la concesión
minera de esta dirección sea 2 a 3 veces mayor que en la dirección de buzamiento.
E n el caso de un yacimiento masivo, estrecho,alargadoen el sentido de la corrida , el pique
principal se sitúa en el centro u a muro ; loa pique auxiliares se ubican en los extremos y fuera
del yacimiento.
S i el área a minar se alarga en el sentido del buzamiento ,el pique principal y uno de los
auxiliares se colocan en el centro del yacimiento , mientras que el segundo pique auxiliar se
colocara en la zona del yacimiento mas próxima a la superficie.
CUATRO PIQUES
En este caso el pique principal se usara para extraer la producción y como entrada , el segundo
pique para personal y entrada de materiales y los otros dos para ventilación .
Los cuatro piques serán de igual diámetro. Loa dos primeros se colocaran en posición central y
los dos de ventilación en posición extrema en la dirección de la corrida .
Si el yacimiento es alargado en la dirección del buzamiento ,tres piques se colocaran en el
centro y el cuarto en la zona en la que el yacimiento esta mas próximo a la superficie.
DIAMETRO DEL PIQUE
En el pique principal o de producción el diámetro se evalúa de modo que sea el mínimo para la
circulación de las jaulas o skips y para dar espacian a los conductores eléctricos , de aire
comprimido , de agua fresca, de ventilación, bombeo y relleno en su caso y para la escala de
escape de emergencias realiza un plano de la sección del pique y dibujan la sección y la
disposición de cada uno de los elementos anteriores, adaptando en lo necesario el contorno
del pique. Se tendrá en cuenta las distancias mínimas a considerar entre los elementos móviles
y los parámetro del pique.
S e comprueba que la cantidad y la velocidad de aire de ventilación son las
especificadas. El volumen de los skips se estima de forma siguiente.
Q =KTW3600t
K es un factor de seguridad = 1.5 para dos skips y = 1.25 para solo un skips o jaula
T=t1+t2 es el tiempo total en el ciclo en s, (t1 es tiempo de funcionamiento,
t2 es el tiempo de parada ).
El volumen del skip es:
P= Q
Densidad
Donde densidad es la densidad aparente de la carga de mineral en t/ m3.
Para carbón
Se toma 0,8 a 0,85 y para minerales 1,4 a 1,5.
Basándose en estas estimaciones y cálculos y teniendo en cuenta las consideraciones previas,
KF Unrug propone el adjunto ábaco para la evaluación de los principales parámetros del pozo.
REVESTIMIENTO DEL PIQUE
El revestimiento del pique cumple las misiones de servir de soporte a los equipos y sostener las
paredes. En los piques modernos de sección circular o elíptica el revestimiento se hace de
hormigón armado con un espesor mínimo de 20 cm , aunque en piques de sección rectangular
perforados en rocas competentes puede usarse revestimiento de madera . Antiguamente se
ha usado revestimiento de ladrillo o de bloque.
Las ventajas del hormigón son que puede conseguirse resistencias altas de hasta 50 Mpa y que
puede impermeabilizarse para presiones hidrostáticas no demasiado elevadas de los niveles
freáticos.
Normalmente el revestimiento no se calcula en piques realizados en rocas duras ya que la
resistencia del hormigón es es inferior a las tenciones de la roca , por lo que el hormigón no
debería estar sometido a presiones del terreno , Sin embargo el brocal y la parte de pique
excavado en el terreno de recubrimiento si pueden estar sometidos a tales esfuerzos del
terreno o de la presión del freático . La presión del agua se calcula fácilmente como la altura
máxima de la columna del agua , y la presión debida a terrenos no cohesionados (arenas)
como el producto altura x por densidad . Si los terrenos están cohesionados conviene recurrir a
un especialista en geotecnia o mecánica de suelos. Para calcular el espesor de hormigón del
brocal y del revestimiento en el recubrimiento se utilizan las siguientes expresiones:
d= (√(RC/RC-2pf ) -1
En el caso de que se considere que la presión se aplica de golpe provocando una reacción
elástica del hormigón (formula de Lame ), o bien
d= (√(RC/RC-2pf1/2 ) -1
d= espesor del revestimiento en m
r= radio interior del pique en m
Rc= resistencia del hormigón en Mpa
P= presión externa que actúa sobre el hormigón en Mpa
F= 2, coeficiente de seguridad respecto de la tensión de comprensión.
Para el calculo del revestimiento del brocal y del recubrimiento es prudente
suponer que la columna de agua llega hasta la superficie y que al menos el
70 % de la presión máxima teórica del terreno activo se aplica a lo largo de
toda la embocadura del pique.
Equipos
Los equipos que se utilizan en la construcción del pique son los siguientes:
3 bombas de achique sumergibles, una neumática y 2 eléctricos.
Una bomba Swllex para instalación de pernos.
Una perforadora Jack Leg.
Dos pies de avance de 1,20 y 1,60 m.
Un Rick Hamener, para la remoción del material fracturado.
Un ventilador de 7,5 HP, con manga de 16 pulg.
sostenimiento
Para determinar los parámetros de sostenimiento tales como: Longitud de pernos
-
Densidad de pernos
Resistencia de los pernos a las cargas que soporta.
A continuación se realizarán los siguientes cálculos y se describen
las características al utilizar pernos swellex como refuerzo.
SOSTENIMIENTO PROVISIONAL
Como el personal esta expuesto a la caída de las rocas al avanzar en profundidad el pique, el
sostenimiento provisional de las paredes es esencial.
Por lo general este sostenimiento provisional esta constituido por cuadros metálicos de
perfiles en U, llamados Enviguetados.
Toman la forma exterior del pozo y están conformados por 4 o 5 piezas unidas por pernos.
Detrás de ellos se suelen colocar planchas metálicas ajustadas por medio de cuñas, rellenando
los vacíos entre la pared y planchas metálicas con madera o roca para asegurar un buen ajuste.
SOSTENIMIENTO DEFINITIVO
Se utiliza madera redonda o escuadrada, ladrillos, hormigón armado y/o dovelas (estructuras
PRE-fabricadas en forma de cuña a fin de empalmarlos y asegurarlos con pernos ) ; también se
utilizan pernos de anclaje.
Estibación con cuadros normales Se constituye de abajo hacia arriba, en tramos de una altura
de 10 a 12 metros entre cuadro de asiento
Transversalmente, sus cuadros de asiento encajan en patillas preparadas en las caras y encima
ensamblan los travesaños transversales en muescas practicadas.
Longitudinalmente, se usa longarina de 2 a más metros de longitud, formando el cuadro
normal.
Interiormente, y de acuerdo al diseño, puede ser dividido en 2 o mas compartimientos, gracias
a los postes o puntales y travesaños, contando además con las guiaderas.
Los cuadros de asiento soportan parte del peso de los cuadros corrientes que descansan sobre
ellos, siendo la otra parte del peso de los cuadros corrientes que descansan sobre ellos, siendo
la otra parte anulada por las fuerzas de fricción y adherencia a las rocas de las paredes del
pique.
Los puntales son de 15*15 o20*20 centímetros de lado, de 2 a mas metros de longitud, fijados
verticalmente a lo largo del lado mayor de los cuadros del asiento ( longarinas) por medio de
tornillos.
Los travesaños son riostras (piezas que aumentan la rigidez e inderformabilidad de cuadro)
horizontales, cuyos extremos debidamente (destajados), se insertan en las muescas de los
puntales. Su misión es asegurar las guías de los baldes/skips.
Las guías son elementos de la armazón fijados a los travesaños por medio de pernos en forma
ininterrumpida a lo largo del pique y sirve para guiar las vasijas de extracción. Son vigas de
madera y con dimensiones similares a los puntales.
ENTIBACION CON CUADOS SUSPENDIDOS O COLGANTES
Los cuadros son confeccionados de arriba hacia abajo. Los lados transversales del cuadro de
asiento van empatillados en
las caras de la chimenea, cada 5 a 10 cuadros o mas, Los divisores y puntales o postes van
siendo ensamblados a altura de 0.80 a 1.60 metros.
Cada cuadro esta suspendido al inmediato inferior por medio de varillas de acero de 20 a 30
mm de diámetro. Estas suspensiones se insertan a través de agujeros taladros en las longarinas
del cuadro y se sujetan por medio de arandelas y tuercas.
Las paredes de los pozos serán revestidas con tablas, silo requiriesen.
Cuadros
Además del sostenimiento con pernos y malla se reforzarán con cuadro de madera de 20 x 20
cm de sección solamente cuando se atraviesa terrenos malos como terrosos o de alto
fracturamiento.
Perforación y Voladura
Para la perforación emplearemos la máquina Jack Leg con barrenos de 4 pies, se perfora el
frente completo en corte quemado
con arranque de 4 taladros y un taladro de alivio, la malla cubre de 28 a 32 taladros cargada
según el comportamiento de coestructura, para la voladura se utiliza detonadores no
eléctricos, en el caso de que se utilice detonadores eléctricos se usarán explosivos para su
detonación.
El personal utilizado es de un perforista y dos ayudantes.
El carguio se realizará manualmente.
IZAJE
Para el izaje del mineral roto se realiza manualmente hacia el skip se utiliza 3 personas, el
winchero y dos paleros, el izaje se realiza hasta el nivel de extracción.
El skip se moviliza sobre rieles las cuales contará con señalización de luces en cada nivel (luz
roja subiendo, luz verde bajando) también contará con timbres para indicar el accionar del
winche (1 parar, 2 subir, 3 bajar, timbrado continuo emergencia), también contamos con red
de teléfono. Estos serán accionados mediante winchas eléctricos de bobina monocable de cara
THERN de 15 HP de potencia en una capacidad de izaje de 5 toneladas, con una
longitud de enrollamiento efectivo de 350 mt. Y una velocidad constante de 3 mt/seg. La
capacidad del skip es de 1,5 ton., hechos de planchas de acero.
Desagüe
Se tiene un caudal de 400 galones /min por lo tanto para la perforación en condiciones
optimas es necesario bombas eléctricas para el achique rápido del caudal abundante y una
bomba neumática de diafragma para mantener el agua lo más bajo posible, estas bombas
bombean a un tanque de rebombeo ubicadas en un nivel próximo.
Ventilación
Para la ventilación del pique por seguridad se instala un ventilador
secundario en el nivel más próximo de 7 HP con manga de 16 pulg.
Sostenimiento
Todos estos trabajos se realizarán mediante 2 guardias cada uno
de 8 horas diarias.
SECUENCIA Y CRONOGRAMA DEL AVANCE
El pique está programado 20 m/mes.
Este pique está programado para un tiempo de duración de 7 semanas tal como muestra el
cuadro
ENTRADAS HORIZONTALES AL PIQUE
Las entradas de los piques de ventilación, sin maquinaria de extracción, deben calcularse en
función de la mínima resistencia a la circulación del aire.
Las dimensiones de las entradas en los niveles de un pique de extracción se calcularan de
acuerdo con el ancho y el numwero de skips y jaulas que se eleven a ese nivel, numero de
pisos por jaula y la longitud máxima de los equipos y suministras que deban descargar en el
nivel. Además se comprueba que la sección eficaz es suficiente para la ventilación requerida:
las velocidades de aire recomendadas son de 4m/s para los piques de producción y de 8m/s
para los piques de ventilación.
En la entrada del nivel se debe prever espacio para los empujadores, giro y volteo de
plataformas y vagonetas, galerías para entrada y salida simultaneas de personal de las jaulas
multipiso, nichos para equipos de control, by pass alrededor del pique. Etc.
La altura de la entrada del nivel se determina por la máxima longitud de los objetos
transportados como, por ejemplo, los carriles de las vías
PROFUNDIZACION DE PIQUES
D e todas las aperturas realizadas en las minas de piques son las obras mas costosas en tiempo
y dinero. Además la profundización de piques es un procedimiento complicado.
A aunque algunos piques se perforan mediante sondeos de gran diámetro, en la mayoría se
emplea el método tradicional de perforación y voladura, bien de sección rectangular con
sostenimiento con madera , bien de sección circular con sostenimiento con hormigón, que es
hoy lo comúnmente empleado y recomendado a contratistas externos para ello. Excepto a
grandes profundidades, los piques perforados en roca dura no requieren consideraciones
especiales para el mantenimiento de la estabilidad del parámetro .
Loa piques se perforan de arriba hacia abajo, aunque en minas ya existentes a veces se realiza
de abajo hacia arriba.
PROFUNDIZACION DE PIQUES POR EL SISTEMA TRADICIONAL
Cuando se trata de minas ya establecidas com. piques gemelos de operación de profundización
se facilita ya que se reprofundiza el pique auxiliar y con una galería se llega a la proyección del
pique principal y se sube con realce en sección estrecha que ensancha bajado .Para proteger el
personal se deja un macizo de 5 a 10 mt en el fondo del pique que se destruye en ultimo
momento. Con un solo pique es mas frecuente trabajo en caldera descendente o en calderilla,
para lo cual se construye un techo de madera bajo el cual se trabaja, Cuando el terreno es
suelto y descompuesto y la venida de agua importante se emplea métodos especiales que se
encargan a empresas especializadas.
DIVICION DE PIQUES EN COMPARTIMIENTOS
Unas ves perforadas y revestidas, se instalan en el pique los diferentes elementos necesarios
para la operación. En primer lugar se instalan las traviesas y los guionajes.
El pique se divide en compartimientos y se instala las jaulas y skips definitivos. Se dotara al
pique de escala de escape y de la plataforma de salida. La tubería de ventilación estar en su
compartimiento así como la tubería de agua .aire comprimido, de evacuación del bombeo, de
energía, de introducción de relleno, y alguna conducción de respeto.
ENGANCHES
Se llaman así a las galerías que en los niveles, enlazan al pique con los transversales y sirven
para las maniobras de carga y de descarga .En los enganches de interior cuando se utilizan
vagonetas, se realiza la recepción de los vagones cargados, desenganchado de los mismos,
carga y descarga de las jaulas, reunión de vagones vacíos y formación de trenes, tanto vacíos
como con material y para circulación de material. En el de superficie hay que cargar y
descargar las jaulas. Pero los vagones circulan sueltos en dirección a los basculadores o al
almacén y vuelven vacíos o con material.
En cualquier caso se utiliza la gravedad para ayudar al movimiento de los vagones y además
cables, cadenas rastreras , empujadores ,o bien .frenos y topes.
Los enganches para skips tienen ventajas sobre de los vagones .La capacidad de extracción es
mayor, el costo de la instalación es menor, menos perdidas de tiempo, automático mas fácil y
menos personal de operación. Sin embargo, desmenuzan más el mineral, las excavaciones son
mayores para alojar tolvas, producen más polvo y vertidos a la caldera del pique durante la
carga de los skips.
CALCULO Y DISEÑO
El calculo y diseño de los principales miembros estructurales (divisores y guías de skips, jaula y
contrapeso) se ha efectuado por el método de esfuerzos permisibles (diseño elástico).
El diseño estructural se puede definir como un arreglo de elementos estructurales aplicado a
casos específicos y que deriva de la experimentación teórica y practica ira dar una solución real
y económica y segura a una estructura, incluyendo todos los detalles que permiten su
fabricación.
Secuencia del análisis estructural
a.-Dimensionamiento preliminar
B.-Consideraciones de diseño
C.-Determinación de cargas actuantes
D.-Cálculo de momentos factores
E.-Selección de perfil adecuadoF.-Verificación de esfuerzosG.-diseño final.
DIMENCIONAMIENTO PRELIMINAR
Para establecer la distribución de las estructuras así como los puntos de aplicación de las
diferentes cargas hemos efectuado, como primer paso, el dimencionamiento preliminar
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Para el calculo y diseño de estas estructuras hemos utilizado las propiedad físico-mecánicas
( punto de influencia, resistencia ultima, limites de proporcionalidad, soldabilidad, tenacidad,
densidad,etc.) del acero estructural ASTM-A36, cuyo limite de fluencia es Fy=36 psi.
Para los miembros en tracción hemos considerado el esfuerzo unitario
permisible (Ft) igual a: Fb=0.66 Fy.
Para los miembros en tracción hemos considerado el esfuerzo unitario
permisible a: Fb=0.66 Fy.
Para otras informaciones complementarias tenemos la serie de códigos, especificaciones y
normas dadas por el instituto Americano para construcciones de acero.
DETERMINACION DE CARGAS ACTUANTES
1.- Cargas en los miembros divisores
-Cargas debidas al peso soportado
*Cargas de fricción vertical equivalentes al 3% del total de la suspendida en el En el cable.
*Cargas horizontales equivalentes al 10% del total de la carga suspendida.
2.-Cargas en los guiadores
-Cargas de fricción vertical igual al 3% de la carga suspendida.
-cargas horizontales igual al 10% de la carga suspendida.
CALCULO DE LOS MOMENTOS FLECTORES
Una ves determinadas las cargas actuantes y su distribución, se calcula los momentos flectores
verticales y horizontales, mediante a la aplicación de conceptos básicos de equilibrio de
fuerzas y resistencia de materiales.
SELECCIÓN DE PERFIL ADECUADO
Con el momento flector máximo (Mmax) obtenido y con el máximo esfuerzo permisible (Fb)
calculamos el modulo resistente (s) con la relación Fb=MMAX./S.
Utilizando las tablas del AISC, seleccionaremos el perfil adecuado par cada
caso.
Vertificacion de esfuerzos
Con el nuevo modulo resistente (S) y con el momento flector máximo determinamos el
esfuerzo máximo (Fb) que podrá soportar la estructura escogida y siempre se debe cumplir,
Fv)= Fb = 0.66 Fy
Con lo cual queda versificado el esfuerzo.
Diseño final
Todos los cálculos matemáticos anteriores son para establecer un punto de partida. Existen
otras consideraciones que deben hacerse para determinar el diseño final como:
- Forma geométrica de la estructura.
- Corrosión.
- Probabilidad de impactos por caída de objetos.
- Ventilación.
- Aproximaciones e incógnitas en los métodos de análisis.
- Calidad de la mano de obra.
- Presencia de esfuerzos residuales.
- Ubicación y tiempo de uso de la estructura, etc.
Finalmente, es oportuno indicar que actualmente existen una serie de programas
computarizados para el calculo estructural que simplifican enormemente este trabajo.
La fabricación es realizada totalmente en los talleres de superficie con subensambles
prefabricados para una tolerancia máxima de 3 mm. Los anillos se fabrican en los partes,
unidos entre si por pernos de 3/4" AST- A325 de perfiles laminados estándar tipo o C15.4.
Los elementos divisores de los compartimientos son vigas de ala ancha 6W15.5. Los tirantes
verticales y horizontales son varillas corrugadas de 3/4 “ de diámetro, tipo ASTMA615, grado
60. Los guiadores de los skips son de tubos estructural cuadro de 5” x 5” x 5”/16.
Los guiadores de la jaula son de madera pino oregon de 5 “ x 8” de sección. Los guiadores del
contra peso de la jaula son de tubo estructural cuadrado de2”x2”x1” /4”. Las plataformas de
descanso son de parrilla estándar de 3/4"x4’x8’.tipo PM-193. Todas estas estructuras excepto
los guiadores, son arenadas y pintadas con trescapas de pintura epoxica.
Instalación
Instalación de las estructuras prefabricadas es relativamente simple, rápida y segura hemos
establecido un tiempo promedio de 5 horas con 4 trabajadores por cada set que nos permite
un avance de 3.5 m.
La instalación se realiza con la ayuda de un winche auxiliar de 50hp de un tambor .Se nivela, se
alinea, se bloquea en 5 partes en la periferia del anillo , se perfora a la roca a través de los
agujeros del anillo y finalmente se introduce a cada hueco taladrado una varilla de fierro.
Corrugado de 3/4" de diámetro por 1,20 de longitud conjuntamente con 2
cartuchos de resina para que actué como perno cementado.
Ventajas
-Son fácilmente remplazadles.
-Son recuperables, económicas y seguras.
-Mínimo mantenimiento.
-Vida útil prolongada.
Desventajas
o El prefabricado requiere de un buen control de calidad.
o Se debe evitar el agua y la humedad para mayor duración.
o Inspección continúa.
. EMBARQUES
Ya se ha comentado que el pique Aurelio del Valle tiene 3 embarques, uno a nivel 976
m.s.n.m., otro a nivel 737 y otro a nivel 553. En cuanto al pique Emilio del Valle, tiene 4
embarques, uno a nivel 978, otro a nivel
868, otro a nivel 741 y el último a nivel 615. En el futuro está previsto reprofundizar dicho pozo
y hacer otros 2 embarques a cotas 490 y 365.
Durante la profundización de los piques se efectuó cada uno de los embarques, desde los
cuales se accede a cada una de las diferentes plantas. Para ello, una vez alcanzada la cota en la
cual estaban emplazadas las mismas, se procedió a excavar en sentido horizontal el anchurón
que daba acceso a ellos. El sistema de sostenimiento empleado fue el del NATM (Nuevo
Método Austriaco), empleando para el sostenimiento bulones y hormigón proyectado.
Los embarques fueron excavados en una longitud aproximada de 35 m de distancia respecto al
eje del pique, de modo que una vez se finalizaron las labores de ejecución de los piques se
pudieran reanudar las labores de avance en cada uno de los niveles sin interrumpir en demasía
ni deteriorar el funcionamiento del pique.
En algún caso muy particular, como es por ejemplo el embarque del nivel 976 del pique Aurelio
del Valle, en el cual se sitúa la estación de descarga del skip, la sistemática de trabajo para
garantizar el éxito de la labor fue muy laboriosa. Antes de llegar a este nivel se preparó en el
pique un anchurón, denominado "pata de elefante", desde el cual se perforaron unos taladros
de 12 m de longitud y de 90 mm de diámetro descendentes con dirección a la zona que iba a
ser más adelante excavada para ejecutar la cámara de descarga del skip. En estos taladros se
colocaron barras de acero de 32 mm de diámetro AEH 500
de sistema Gewi unidas por manguitos y tuercas y protegidas en toda su longitud con cinta
Denso-Flex, anclados en toda su longitud con cemento y en la parte superior con un amarre
específicamente diseñado para la tarea que debían cumplir con el tiempo.
Una vez alcanzada la excavación del pique la zona donde se encontraba el techo de la cámara
de descarga del skip, se comenzó a ensanchar el pique para dar cabida a la misma. Durante la
excavación aparecieron los extremos inferiores de las barras Gewi, que habían sido perforadas
desde la pata de elefante. En ellos se colocaron una vigas que unían los anclajes de dos en dos.
Se les dio tensión y se continuó excavando el anchurón de la cámara de descarga del skip. De
este modo el techo de la cámara quedó "arriostrado" con la base de la "pata de elefante". Para
la excavación e emplearon martillos de columna y palas "Cavo".
RENDIMIENTOS
Es difícil indicar un rendimiento significativo de estas labores, ya que las variaciones de
terrenos han sido tan frecuentes que no se ha podido alcanzar un buen ritmo de trabajo. De
todos modos vamos a mostrar
aquí algunos de los rendimientos alcanzados en algunos tramos relativamente significativos,
en el pique Aurelio del Valle entre las cotas 971,2 y 760 (es decir, justo terminado el embarque
del nivel 976 y antes de comenzar el embarque del nivel 737). En este tramo se atraviesan 2
fallas importantes y con bastante carbón sucio en ambas, como ya se indicó antes.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS PIQUES
En la tabla de la Figura 6 se pueden ver las características más notables de ambos piques
verticales desde el punto de vista de equipamiento.
INSTRUMENTACIÓN
Para controlar que el sostenimiento del pique funcione correctamente y que las presiones
sobre el mismo no superen aquéllas que han sido previamente calculadas, es necesario el
empleo de instrumentación específica de control.
De este modo, se consigue verificar la validez de los diseños iniciales, comprobando que el
sistema de sostenimiento colocado funciona correctamente.
Para ello se controla la evolución de las deformaciones y cargas con el tiempo, y ,en caso de
que existan notorias diferencias entre el comportamiento previsto y el real, deben de
efectuarse las correcciones necesarias para evitar males mayores.
Entre ella cabe citar extensómetros, células de convergencia, células de carga y células con
captadores de cuerda vibrante.
Los extensómetros empleados fueron de varilla, instalados a 1, 2, 3 y 7 m de profundidad y con
lectura remota, ya que era imposible volver a los puntos donde se colocaron a medir con la
frecuencia necesaria. Se suelen situar cerca del frente, tras la segunda pega disparada,
midiéndose después de cada avance, y al menos una vez por semana una vez desaparecido el
efecto del frente. Gracias a ellos se puede determinar el radio de plastificación y, por tanto,
determinar si la longitud y densidad de bulo naje empleado es o no la adecuada.
Las células de convergencia fueron también de lectura remota, colocadas en las paredes del
pique. Generalmente es un sistema sencillo y muy eficaz para detectar comportamientos
anómalos del terreno en túneles y galerías, sin embargo en el pique la lectura e interpretación
de las mismas no fue muy significativa por su complejidad.
Las células de carga se colocaron en determinados bulones para medir el nivel de carga que
alcanzaban y comprobar que el mismo no superaba los valores límite de rotura.
Las células con captadores de cuerda vibrante y las células de presión total permiten
determinar el nivel de carga alcanzado dentro del concreto de los anillos.
CONTROL DE CALIDAD
Básicamente se controlaron los siguientes aspectos:
1 - Control de los concretos proyectados, bombeados y encofrados:
2 - Control de calidad de áridos.
3 - Control de calidad de agua.
4 - Control de dosificaciones.
5 - Verificación de la consistencia y manejabilidad.
6 - Control de segregaciones en la puesta en obra del concreto.
7 - Inspección visual en la fabricación y en la puesta en obra.
8 - Ensayos a compresión simple, con rotura de probetas, a los 2, 7, 28 y 90 días en el caso del
concreto proyectado, y a 7, 28 y 90 días en el concreto bombeado y encofrado.
9 - Extracción ocasional de testigos in situ.
10- Control del bulo naje:
11 - Calidad de materiales.
12 - Control de longitud y diámetro del barreno y del perno.
13 - Control del volumen de resina o de mortero empleados.
14 - Control de la densidad de bulo naje.
15 - Control de la orientación de los barrenos. 16 - Ensayos de tracción en laboratorio
17 - Ensayo de tracción en perno colocado.
18 - Inspección visual en la puesta en obra. 19- Control de la sección de avance. 20- Control
topográfico.
BLIOGRAFÍA
"Die Entwicklung einer neue Zehe von Steinkohle Bergbau in Nordern Spanien" ("El desarrollo
de una nueva mina en el norte de España"), Ing. Enrique Castells Marzo de1.997
La realidad de la profundización de pozos verticales. Antonio del Valle Alonso y José Luis
Fernández Eguíbar. IX Congreso Internacional de Minería y Metalurgia de León, España, del 24
al 28 de Mayo de 1.994.
Un ejemplo de minería competitiva en la C.E.E.: La nueva mina de Hullera Vasco Leonesa.
Antonio del Valle Menéndez, revista Rocas y Minerales de Septiembre de 1.992.
Auffahren von Füllörtern mit Anker-Spritzvbeton-Ausbau. Wolfram Harryers.
Informe sobre la profundización de los pozos verticales de la Nueva Mina. Informe - memoria
interno del Departamento de Grandes Obras de Hullera Vasco Leonesa.
Requisitos de sostenimiento para los embarques del Pozo Santa Lucía. De G. Daws. Aplicación
del Nuevo Método Austríaco en la ejecución de galerías del "Proyecto Nueva Mina" de la
S.A.Hullera Vasco Leonesa. Enrique Castells, revista Rocas y Minerales de Mayo de 1.998.
Introducción del N.M.A. en el diseño de las labores de infraestructura del proyecto Nueva
Mina. Enrique Castells. IX Congreso Internacional de Minería y Metalurgia de León, España, del
24 al 28 de Mayo de 1.994.
