Presentado en el V Seminario Peruano de Geoingeniería.

Por: Luis Jordá, Universidad Politécnica de Madrid, España y Fredy Valeriano, DCR Ingenieros SRL y Universidad Nacional del Altiplano.

Resumen 

El análisis empírico mediante las clasificaciones geomecánicas –y entre ellas el índice Q– es una metodología de prediseño y selección de sostenimientos internacionalmente aceptada desde los años de 1970. 

Por otro lado, aunque la madera como soporte es un método antiguo, sigue utilizándose en todo el mundo en minería pequeña y artesanal. Hay muy pocas referencias del uso de clasificaciones geomecánicas cuando analizamos este tipo de minas entibadas.  

La mayoría de esas minas artesanales carecen de todo tipo de criterio ingenieril en sus diseños y las metodologías en base a mapeos geomecánicos y diseño empírico son fáciles y económicas de implementar. 

En nuestra investigación hemos analizado sostenimientos con cuadros de madera en galerías y tajeos de minas en actividad y abandonadas. En total han sido 19 referencias en Perú, Bolivia, España y Eslovenia y en rocas de caja de tipo andesítico, calizas, dolomías, pizarras y carbón.

El objetivo ha sido el de dibujar un gráfico empírico que relacione calidad de roca según el índice Q con el ancho de la galería minera y el tipo de refuerzo recomendado, con énfasis en la técnica de madera. 

En base al análisis de varios casos se elabora un gráfico en el cual podemos introducir la calidad de roca y ancho de la galería que proyectamos y nos devolverá como resultado si se recomienda la entibación en madera o la galería es autoestable. 

Este gráfico puede ser de utilidad para predimensionar y planificar necesidades de sostenimiento en pequeña minería y minería artesanal en fases de prefactibilidad. El gráfico ha tenido en cuenta las consideraciones de autores que han estudiado el tema como Vallejo (2000, 2007) y el análisis propio de campo realizado para esta investigación, considerando galerías reales que han funcionado con su entibación. 

Los pares de puntos ancho (span en inglés) – Q se han representado en un gráfico semilogarítmico considerando los valores de ESR recomendados por las publicaciones más recientes (NGI, Vallejo, Grimstad y Barton) ESR = 1.6 para galerías permanentes mineras y 3 para temporales.

Como resultado presentamos una revisión y adaptación del gráfico empírico del índice Q para minas entiba- das en madera. También recomendamos unos nuevos valores del Excavation Support Ratio (ESR) para índice Q aplicado en galerías permanentes y temporales de minas entibadas. Un gráfico como el que proponemos puede servir de guía preliminar en muchas minas que se excavan sin criterios técnicos modernos, pero con una base de know how empírico tradicional que puede ser válido.

Introducción

La entibación con madera es uno de los métodos más antiguos para sostener techos de galerías y controlar inestabilidades subterráneas. La madera no solo se ha empleado para cuadros en las galerías, sino que han servido como técnica de laboreo minero en sí misma como son los filones entibados, square sets para sostenimiento y vaciado de grandes cuerpos mineralizados, woodpacks para recuperación de pilares y por supuesto la técnica minera de carbón del tajo largo longwall mining para vetas horizontales y el “sutiraje” y testeros para vetas verticales.

En su obra de 1946, Terzaghi recopila buena parte del conocimiento existente sobre cargas respecto a sostenimiento en galerías y túneles. Apunta las tendencias que se van a seguir en los siguientes años y que darán nacimiento a las modernas clasificaciones geomecánicas y diseño por métodos empíricos. Terzaghi considera que hay una clara relación entre carga sobre el sostenimiento y calidad de la roca y entre estabilidad y ratio ancho vano /calidad de roca. A mayor calidad de roca más anchos pueden ser los vanos y a peor calidad mayor la carga y menores los vanos. Estas observaciones son las mismas que empleará Barton et al. (1974) y que serán la base del grafico Q- span.

Terzaghi señala que la calidad de la roca depende de una serie de parámetros. Los trabajos posteriores de autores como Lauffer, Deere y Laubscher terminan por definir cuáles serán los parámetros más relevantes del macizo rocosos (RQD, espaciados, re- lleno de juntas, etc.) para su análisis (Lauffer 1958, Deere 1964, Laubscher 1977). Estos estudios desembocan en los parámetros internacionalmente consensuados de las clasificaciones geomecánicas Rock Mass Rating (Bieniawski, 1973, 1976, 1989) y Q-index (Barton et al. 1974, Grimstad y Barton 1993).

Las tendencias actuales en túneles (NATM) y minería mecanizada hacen que las recomendaciones de los gráficos empíricos se centren en las técnicas de sostenimiento flexible en base a shotcrete, bulones y cerchas metálicas. La Figura 1 muestra la aplicación de gráfico empírico de Grimstad y Barton (1993). Por ejemplo, si tenemos un ancho escalado de 3 m de galería, para calidades de roca Q>4 según este gráfico empírico para un predimensionamiento no es preciso refuerzo, la galería es autoestable. Para calidades de roca entre 0.1 < Q < 4 se trata de macizos rocosos cada vez peores donde se recomienda reforzar la sección con pernos y shotcrete. Para calidades no tan malas, de hasta 0.2 <Q < 4 el modo de rotura es principalmente por caída de cuñas y estas pueden sostenerse con pernos y mallado sin shotcrete. Para calidades de roca –en este a ancho– menores de Q 0.1 entonces se recomienda la colocación de cerchas metálicas.

Sin embargo, la experiencia práctica de un gran número de minas pequeñas y medianas del mundo demuestra que no se aplican cuadros metálicos sino que se emplea con éxito la madera, que permite más fácilmente adaptarse a diferentes secciones y es más económico, y no depende de suministros industriales.

GSI modificado y sostenimiento práctico minero en Perú

Los gráficos existentes como los de Grimstad y Barton (1993) no estaban alineados con la práctica de un país con gran cantidad de minas artesanales y pequeñas como es Perú (y muchos otros). En 2000 Vallejo analiza la práctica habitual minera del país andino y relaciona los gráficos empíricos de amplia aplicación como el de Grinstad y Barton (Figura 1) para desarrollar el sostenimiento práctico minero (SPM) peruano. Por un lado, simplifica la toma de datos en campo del RMR y Q, y genera un sistema visual que fácilmente puedan implementar y aplicar los supervisiores y contratistas basado en el GSI. Por otro lado, modifica el gráfico de Q - span/ESR para la práctica en minas peruanas, considerando un rango menor de anchos y sustituyendo para las categorías de menor calidad los cuadros de madera en vez de cerchas. Estos gráficos no parecen haber sido divulgados fuera de estos ámbitos y solo nos consta verbalmente la aplicación en algunos países limítrofes de Perú como son Ecuador y Bolivia. 

El gráfico de Vallejo (2007) es la única constancia que tenemos de un método empírico en base a clasificaciones geomecánicas para entibación en madera.

Alcance de la investigación

Se pretende dibujar un gráfico empírico que relacione calidad de roca según el índice Q con el ancho de la galería minera y el tipo de refuerzo recomendado, con énfasis en la técnica de madera. En base al análisis de varios casos se elabora un gráfico en el cual podemos introducir la calidad de roca y ancho de la galería que proyectamos y nos devolverá como resultado si se recomienda la entibación en madera o la galería es autoestable. Este gráfico puede ser de utilidad para predimensionar y planificar necesidades de sostenimiento en pequeña minería y minería artesanal en fases de prefactibilidad. El gráfico deberá tener en cuenta las consideraciones de autores que han estudiado el tema como Vallejo (2007) y el análisis propio de campo realizado para esta investigación, considerando galerías reales que han funcionado con su entibación.

Resultados

La Tabla 1 muestra los resultados de las estaciones geomecánicas realizadas en las 19 galerías de mina. Estas investigaciones abarcan galerías de minas de litologías y substancias muy diferentes, así como técnicas de entibación en madera de Perú, España y Eslovenia. En una primera aproximación se escogieron los valores de ESR de 1.6 para galerías de mina permanentes y 3 para las temporales. Se vio que estos valores arrojaban pares de puntos que no se ade cuaban a la realidad y se decidió tantear diversas opciones hasta que el gráfico y los datos estuvieran alineados. Nuestra recomendación: modificar el valor de ESR para las entibaciones en madera. Hemos considerado por tanto que podría ser incluso más prudente y del lado conservador considerar como ESR el valor 0.7 para galerías permanentes y el de ESR =1 para las galerías temporales.

La Tabla 1 muestra la calidad de roca según el índice Q y dimensiones (vano o ancho) de las galerías de mina investigadas. En el gráfico definitivo se cambian los valores de ESR 3 por 1 y los de 1.6 por 0.7.

Es razonable ya que estaría del lado de la seguridad y además tendrá en cuenta las problemáticas que plantean estos sostenimientos, de reposición cada varios años para garantizar su continuidad y la alta exposición de los operarios. Por tanto, nuestra recomendación es considerar valores de ESR más conservadores para galerías entibadas en madera.

En la Figura 2, mostramos el cuadro “definitivo” de nuestro estudio, que incluye ideas de autores previos y nuestras propias consideraciones sobre el tipo de fallo que estaría soportando el cuadro de madera para su aplicación en evaluaciones preliminares.

La figura presentada es preliminar, debido a que está basada en el análisis de las 19 minas y galerías, y de los gráficos empíricos de Grimstad y Barton (1993) y de Vallejo (2007). Por lo tanto, se recomienda que otros autores puedan incluir más casos que posibiliten fortalecer y validar este gráfico, siendo una propuesta esta debe considerarse como un gráfico orientativo y no debe de usarse para los sostenimientos definitivos, los cuales deben de estudiarse según las presiones reales del entorno y la resistencia del tipo de madera utilizada, colocación del entibado, espaciado entre cuadros, espesor de la madera y relleno hasta la pared.

Bibliografía

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Bieniawski, Z.T. 1976. Rock mass classification in rock engineering. In Exploration for rock engineering, proc. of the symp., (ed. Z.T. Bieniawski) 1, 97-106. Cape Town: Balkema.

Bieniawski, Z.T. 1989. Engineering rock mass classifications.

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Deere, D.U. and Miller, R.P. 1966. Engineering classification and index properties of rock. Technical Report No. AFNL-TR-65-116. Albuquerque, NM: Air Force Weapons Laboratory.

Grimstad, E. and Barton, N. 1993. Updating the Q-System for NMT. Proc. int. symp. on sprayed concrete - modern use of wet mix sprayed concrete for underground support, Fagernes. 46-66. Oslo: Norwegian Concrete Assn.

Laubscher, D.H. 1977. Geomechanics classification of jointed rock masses - mining applications. Trans. Instn Min. Metall. 86, A1-8.

Lauffer, H. 1958. Gebirgsklassifizierung für den Stollenbau.

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Szechy K (1966) The Art of Tunnelling, Akadémiai Kiadó Terzaghi, K. 1946. Rock defects and loads on tunnel supports.

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Vallejo, C.A. 2007 in spanish. Aplicaciones de la Geomecánica en el Sostenimiento de labores mineras subterráneas – Parte II. Revista del Colegio de Ingeniería Geológica, Año 2, Nº3, diciembre 2007, pp.11-13 Lima, Perú.