Sostenimiento de techos y control de roca

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Fotografía de un minero observando el derrumbe del techo de una mina subterránea. El derrumbe causó una acumulación de roca de quince pies de altura por veinte de ancho (o 4.5 metros de altura por 6 de ancho) que bloquea la entrada completamente.

Todas las minas subterráneas son vulnerables a derrumbes, que son un peligro significativo para los mineros. Los accidentes por derrumbes en minas subterráneas en los Estados Unidos causan de 8 a 10 muertes y más de 800 lesiones cada año. Esto representa aproximadamente el 30 % de los accidentes mortales y el 15 % de las lesiones que suceden en las minas subterráneas cada año. Además, se notifican anualmente a la Administración de Seguridad y Salud en Minas cerca de 2000 derrumbes que no causan lesiones. Los derrumbes también han sido una causa significativa de muertes en otros países mineros, incluidos lugares tan diversos como la India, China, Sudáfrica y Polonia (1, 2, 3, 4, 5).

Resulta crítico seleccionar soportes apropiados y diseñar adecuadamente el sistema de sostenimiento para prevenir los derrumbes y los accidentes relacionados. Los sistemas de sostenimiento de techos incluyen a los sistemas de sostenimiento activo, como los pernos de anclaje, en que los elementos de sostenimiento se instalan dentro del techo, y los sistemas de sostenimiento pasivo, como los pilares de madera y los soportes de galería, en que los elementos de sostenimiento se instalan entre el techo y el suelo. Control de superficies, por otro lado, se refiere a las técnicas como la instalación de mallas diseñadas para prevenir el descascaramiento o desprendimiento de roca de la superficie inmediata del techo o los pilares de seguridad. Usando el simulador de techos de minas y otras herramientas, las investigaciones sobre el control de roca del Programa de Minería de NIOSH incluyen el diseño y rendimiento de sistemas de sostenimiento activo, el rendimiento de sistemas de sostenimiento pasivo y sistemas de control de superficies, así como los efectos y la mitigación de la tensión horizontal.

¿Cuáles son los hallazgos significativos de las investigaciones de NIOSH?

Fotografía que muestra postes de madera alineados cada lado del pasaje de una mina subterránea y que sostienen el techo. Se muestra malla soldada contra la pared y en el techo para que proteja contra los derrumbes del techo y los pilares de seguridad.

Las investigaciones mineras de NIOSH han producido información y programas informáticos sobre el diseño y el rendimiento de varios sistemas de sostenimiento de roca, según se describe a continuación.

Sistemas de sostenimiento pasivo. El paquete informático denominado Programa de Optimización de Tecnología de Sostenimiento (STOP, por sus siglas en inglés) proporciona curvas de rendimiento de las transferencias de carga, pautas para el diseño, y recomendaciones para la instalación y el uso de más de 100 tipos distintos de soportes pasivos. Las características de la transferencia de carga de los sistemas de sostenimiento pasivo se determinan mediante pruebas que se realizan en el simulador de techos de minas de NIOSH.

Sostenimiento de techos activo. El paquete informático Análisis de Sistemas de Pernos de Anclaje para Techos (ARBS, por sus siglas en inglés), que se basa en información empírica, contribuye con el diseño de sistemas de pernos de anclaje para minas de carbón. Este paquete informático se puede instalar para usarse como programa independiente o como parte de la barra de herramientas del programa de control de roca, según se describe a continuación.

Control de superficies. Se han documentado en las publicaciones de NIOSH sobre minería las ventajas de usar mallas en los techos para prevenir las lesiones por derrumbes. También se han desarrollado las características del rendimiento de las mallas para techos. En el caso del torcreto, se han creado herramientas para medir su resistencia inicial, dureza y calidad de adhesión in situ y su instalación.

Calificación de techos de minas de carbón. El sistema de clasificación denominado Calificación de techos de minas de carbón (CMRR, por sus siglas en inglés) se presentó por primera vez a la comunidad minera en 1994. Este sistema de clasificación del macizo rocoso calcula la resistencia inherente del techo de las minas de carbón, principalmente dentro del horizonte empernado. Se puede usar para el diseño de galerías, la selección de pernos de anclaje, las decisiones de ampliación de corte y el modelado numérico.

Diseño de anchura de techos de roca en minas. En un análisis de los problemas de la anchura de los techos y las prácticas de diseño se tratan los factores observados que contribuyen a la inestabilidad de los techos.

Barra de herramientas del programa de control de roca

La barra de herramientas del programa de control de roca instala y proporciona acceso rápido a siete paquetes informáticos de NIOSH para el control de la roca. Estos paquetes incluyen:

ALPS, Analysis of Longwall Pillar Stability
Programa para el diseño de pilares en minas de tajo largo.
ARMPS, Analysis of Retreat Mining Pillar Stability
Programa para el diseño de pilares de anchurón y pilar, para el laboreo en retirada.
ARMPS-HWM, Analysis of Retreat Mining Pillar Stability-Highwall Mining
Programa para el diseño de pilares web y de seguridad en la excavación de paredes de corte o highwall.
AMSS, Analysis of Multiple Seam Stability
Programa que ayuda a identificar la ubicación y la probable gravedad de la interacción entre varios filones.
AHSM, Analysis of Horizontal Stress Effects in Mining
Programa que ayuda a mejorar la distribución en las minas a fin de controlar la tensión horizontal.
CMRR, Coal Mine Roof Rating
Programa para calcular la resistencia inherente relativa de techos de las minas de carbón.
ARBS, Analysis of Roof Bolt Systems
Programa que ayuda a seleccionar los pernos de anclaje de sostenimiento primario para las minas de carbón subterráneas.

Este programa está actualmente solo en inglés y requiere el uso del sistema operativo Windows.

Más investigaciones y directrices relacionadas con el sostenimiento de techos y el control de roca

Los investigadores del Programa de Minería han creado otros materiales que sirven para guiar a los operadores de minas en cuanto a los problemas relacionados con el sostenimiento de techos y el control de roca. Estos incluyen directrices sobre el uso del torcreto, prácticas de sostenimiento de techos en condiciones de debilidad y sensibilidad a la humedad, y técnicas nuevas que se podrían usar para monitorear el efecto de la corrosión en el fortalecimiento de la roca.

El torcreto es el nombre genérico de una mezcla de cemento, arena, agregado fino y agua, de aplicación neumática y de compactación dinámica a alta velocidad. A veces se usa para fortalecer la roca en las minas subterráneas, particularmente, las de metales que operan en roca encajadora débil. En la publicación “Diseño de torcreto y pruebas de cumplimiento en la instalación: Resistencia inicial, capacidad de carga, dureza, resistencia de la adhesión y calidad aplicada” se describe el uso del torcreto en condiciones de debilidad de roca, métodos de prueba en el campo y equipos de medición de las propiedades de resistencia del torcreto directamente en el sitio de la mina, y medios prácticos de llevar a cabo el control de calidad durante las aplicaciones del torcreto.
La lutita de los techos se puede deteriorar por el contacto con el aire húmedo de la mina, lo cual causa derrumbes masivos de techos y lesiones debido a la caída de roca. Es crítico reconocer las rocas que son propensas a alteración superficial debido al efecto de los agentes atmosféricos y sostenerlas de manera adecuada para asegurar la estabilidad de las aperturas a largo plazo. Los investigadores del Programa de Minería han identificado la sensibilidad de distintos tipos de roca a la humedad y en “Diagnóstico y control de techos sensibles a la humedad en minas de carbón” describen las medidas de ingeniería que se pueden usar para controlar los techos sensibles a la humedad.
En “Falla de la roca en minas de carbón con techo débil” se describen seis tipos comunes de derrumbe de techos, con ejemplos de sitios y prácticas de sostenimiento de techos para cada tipo.
La corrosión de los soportes de la roca puede causar caídas de roca que suponen un riesgo significativo para la seguridad de los mineros. En Investigaciones recientes del Programa de Minería sobre la corrosión de los soportes de la roca se halló que el monitoreo de la corrosión con métodos fotogramétricos puede ser eficaz para hacer mediciones cualitativas de la corrosión de la malla soldada, y que existe una relación entre la pérdida de la capacidad de carga y la pérdida del diámetro debido a la corrosión de la malla. Si se verifica esta relación, la fotogrametría podría ofrecer un medio de monitoreo de los niveles de corrosión, así como de la deformación de los pilares de roca.

¿Cuáles son los pasos siguientes?

Dibujo esquemático que muestra cómo los científicos de NIOSH posicionan los instrumentos en una mina subterránea a fin de entender mejor los sistemas de sostenimiento pasivo de techos. El dibujo ilustra cómo un extensómetro con potenciómetro de cuerda se ancla alto en los estratos del techo para medir el flambeo del techo, por arriba de donde normalmente se anclan los pernos de techo, y se conecta del techo a un sistema de monitoreo en toda la mina mediante un cable. (Haga clic para obtener una imagen más grande).

Para hacer investigaciones sobre el diseño de sistemas de sostenimiento de techos de minas de carbón, el Programa de Minería de NIOSH está ampliando los conocimientos sobre cómo funcionan los sistemas de sostenimiento activo en los techos de las minas de carbón. Se realizan pruebas de sistemas de sostenimiento pasivo de manera continua en el simulador de techos de minas. El Programa de Minería de NIOSH está actualizando activamente los programas del kit de herramientas para el control de roca y los métodos de calibración de estas herramientas, según distintos regímenes geológicos. Esto se logra usando una tecnología nueva para recoger mejores mediciones cuantitativas de tensión, a fin de ampliar los conocimientos sobre los derrumbes de techos y pilares, y los sistemas de sostenimiento pasivo de techos para refinar los modelos existentes del programa de NIOSH.