La fortificación tiene los siguientes objetivos básicos:

Debemos tener en cuenta que el sostenimiento o fortificación de roca es un término usado para describir procedimientos y materiales aplicados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad portante de la roca circundante a la excavación. El objetivo principal de un elemento de sostenimiento o fortificación es movilizar y conservar el esfuerzo o resistencia inherente a la masa rocosa para que se autosoporte.

El sostenimiento y fortificación de roca generalmente combina los efectos de refuerzo con elementos tales como pernos de roca y soportes con la aplicación de hormigón proyectado, malla metálica y cimbras de acero, los cuales soportan cargas de bloques rocosos aislados por discontinuidades estructurales o zonas de roca suelta.

Labor minera:

Labores de desarrollo: Una labor de desarrollo son todas aquellas que contribuyen a la producción de la minera, las cuales ayudan al transporte de maquinarias, equipos y acarreo de roca con valor comercial. Estas labores se pueden encontrar en todos los niveles de una mina, las cuales se componen de perforaciones en la roca tanto horizontales, verticales e inclinadas que reciben distintos nombres y cada una de estas presenta funciones distintas dentro de la mina.

Las labores verticales: Se trabajan en forma ascendente dentro de la mina, las cuales conectan un nivel inferior con uno superior o vice versa, dentro de estas labores verticales podemos encontrar piques, pozos, chimeneas, ore pass.

Pique: Es una perforación o galería de secciones diferentes construida de arriba hacia abajo, que sirve para tanto acarrear mineral de un nivel superior a otro inferior como también para traslado de personal en ascensores. En pequeña minería los piques alcanzan una profundidad de 25 metros y en gran minería puede alcanzar hasta profundidades de 1 kilómetro.

Pozos: Son perforaciones verticales de una decena escasa de metros que alcanzan el nivel saturado en la misma línea de costa, o bien explotan algún acuífero colgado sedimentario. Los pozos convencionales tienen un diámetro de unos 3 metros, esto permite realizar galerías horizontales de fondo.

Chimeneas: Se realizan perpendicular a las galerías, tienen secciones variables, es una labor construida desde abajo hacia arriba. Esta perforación vertical cumple funciones de ducto, principalmente para poder acarrear el material y principalmente para permitir el paso del aire de ventilación.

Labores Horizontales: Se denominan a las que se trabajan de forma perpendicular a las labores verticales, el conjunto de estas labores se denomina nivel, ya que se encuentran en el mismo plano o cota, las cuales conectan o terminan en un pique o socavón. Hay distintos tipos de niveles y subniveles que se determinan por su función:

Nivel de hundimiento: Es todo aquel en donde se produce el debilitamiento de la columna del mineral, en donde al momento de tronar, el macizo rocoso por efecto de la gravedad esta comienza a desplazarse y produce el hundimiento total del bloque.

Nivel de producción: Es donde las galerías se conectan con la frente de trabajo en donde está el mineral tronado y fracturado. Este nivel se comunica con el nivel de hundimiento con labores verticales (piques) que captan el mineral, el cual es traspasado al nivel de transporte mediante algunos equipos especializados.

Nivel de traspaso: Son un conjunto de galerías que realizan el traspaso del mineral que viene del nivel de producción hasta el nivel de transporte, este nivel de traspaso cuenta en algunas ocasiones con chancadores o martillos picadores para que el mineral disminuya el tamaño y facilitar mejor el transporte de este.

Nivel de transporte: Es el nivel de mayor diámetro dentro de la mina, ya que por este pasan todas las maquinarias de transporte, correas transportadores y vehículos de servicio, para lograr un buen funcionamiento al momento de entregar el mineral a destino.

Nivel base: Es toda galería que limita el sector de explotación, en donde llega a su fin la zona de trabajo minero.

además de niveles también se encuentran subniveles, los cuales también son labores horizontales en la mina, los cuales se pueden encontrar en forma paralela a un nivel principal tanto sobre o bajo este nivel.

Uno de estos subniveles es el llamado de ventilación, el cual consiste en galerías que están debajo del nivel de producción, los cuales conducen el aire fresco desde la superficie al interior de la mina a través de ductos situados al costado de la galería, proporcionando un aire limpio a las zonas de trabajo y además retirando el aire contaminado desde estos.

Cortada o transversales: labor o galería que corta el terreno de roca y/o estéril la cual forma un ángulo que va en dirección al yacimiento del mineral. Este tipo de labor horizontal se puede dividir en dos categorías: principal cuando va del pozo al yacimiento mineral y secundario cuando el corte del terreno une a dos labores que están en el interior mina. Otra función que genera estos transversales es delimitar la potencia del depósito de mineral para así tener un mejor enfoque de donde se encuentra el mineral con valor comercial y a la vez tener un mejor acceso a este.

Socavón: Es una labor de acceso al yacimiento desde el exterior, ubicada en la ladera de una montaña o cerro la cual se interna al interior del macizo rocoso. A veces la galería inferior de una mina la denominan como socavón por las características que esta presenta.

Galería: Es una labor horizontal la cual es muy parecida a un túnel, solo que esta no tiene una salida al exterior, sino que conecta con otras labores mineras y sirve para el traslado de maquinaria, ductos auxiliares.

Labor Inclinada: Son aquellas labores mineras que tienen cierto grado de pendiente y cumplen al igual que las demás labores una finalidad en el momento de la producción del macizo rocoso. Estas labores mineras unen un nivel con otro para el movimiento de maquinaria, equipos y transporte de mineral. Una de estas labores horizontales es la rampa, la cual tiene que tener un cierto grado de pendiente suficiente para que las maquinarias puedan transitar sin inconvenientes al momento de pasar de un nivel a otro. Está pendiente no tiene que ser superior a un 10%, ya que si fuera superior algunas maquinarias no podrían subir por el hecho del peso, por la fuerza que tendrían que sobre-exigirse si la pendiente fuera muy inclinada tanto en subida como en bajada. Las rampas tienen que tener secciones suficientemente grandes para el traslado de los equipos y maquinarias que se manejan en la minería. Las rampas destinadas al transporte del mineral llegan a pendientes del 33% ya que van equipadas con cintas transportadoras, estas están colocadas en zig zag y llegan directamente a la planta. Estas se desarrollan en roca sin valor comercial o estéril, ya que, si estas están sobre material de un considerable valor comercial, no sería económicamente rentable al momento de explotar el mineral. Un punto a favor que tienen las rampas es que ayudan a la extracción del mineral por medios rápidos y flexibles con equipos de bajo perfil LHD y otros.

Labores de preparación: Las labores de preparación como su nombre lo indica son para acondicionar el lugar de explotación tanto en su forma enérgica como en la parte de circulación de aire. En estos tipos de labores suelen estar los denominados tolvas o chutes los cuales están frente a la explotación por donde se conduce el material extraído, este tipo de labor proporciona el llenado de los equipos de transporte, los cuales llevan este material a su lugar de destino.

Túnel:

Túnel es un concepto que procede del vocablo inglés túnnel. Se trata de una vía subterránea que, por lo general, se abre de modo artificial con el objetivo de permitir la comunicación entre dos lugares. En algunos casos, los túneles se crean por acción de la excavación artificial que provoca el hombre. Los túneles posibilitan el traslado de mercaderías y de personas, aunque sus características son variadas. Hay túneles solo aptos para peatones, otros que permiten el paso de ciclistas y algunos habilitados para vehículos a motor (como automóviles, camiones, etc.). Incluso existen túneles diseñados especialmente para el paso del tren.

Antes de realizar una excavación en un macizo rocoso, la roca que lo constituye se presenta confinada y sometida a una serie de presiones primarias provenientes de la fuerza de gravedad y el tectonismo que se anulan entre sí, proporcionando la estabilidad del macizo y evitando su desplazamiento. Cuando se ejecuta una excavación (galería, pique, chimenea u otra), estas tensiones presentes sufren una alteración de su estado de equilibrio natural, y como consecuencia de ello tienden a reacomodarse posteriormente para compensar la alteración producida por la excavación y lograr autosoportarse.

Si la roca que constituye el macizo rocoso es competente, ésta soportara o asimilara las tensiones durante el reajuste o reacomodamiento, pero si la roca es débil, ésta cederá ante las tensiones presentes y producirá el desplazamiento y/o caída de rocas debido a las elevadas presiones tangenciales que aparecen en el borde, hasta que la sección de la excavación tome la forma o sección requerida para desviar las tensiones y auto-soportarse; y el macizo rocoso alcance nuevamente un punto de equilibrio.

El desplazamiento o la caída de rocas posterior a la ejecución de una excavación puede deberse a:

1. La presencia de algún punto sobre el borde libre de la excavación que no tiene fuerza actuando sobre él.

2. Cuando la voladura ha destrozado o al menos quebrado la roca alrededor de la excavación. En este caso, el punto de equilibrio estable se encuentra dentro de la roca quebrada o fracturada alrededor de la excavación.

En consecuencia, la roca contenida en el anillo determinado por la línea de puntos estables alrededor de la excavación y el borde libre de la misma se encuentra suelta o inestable y requiere de sostenimiento.

La magnitud de la alteración del equilibrio dependerá de la magnitud de las obras de excavación y de las propiedades geomecánicas de las rocas en las que se ejecuta; propiedades que determinan la compacidad y coherencia de la formación y, consecuentemente la naturaleza de los esfuerzos que la ejercen. El conocimiento de estas magnitudes y características nos permitirá evaluar la necesidad de soportar o sostener la excavación una vez que se haya realizado.

Los factores que afectan la estabilidad de una excavación son:

        I. Magnitud y dirección de los esfuerzos a la que está sometida la excavación.

    II. Interacción entre galerías adyacentes: La presencia de galerías cercanas y adyacentes influirán en la estabilidad general de la zona por representar zonas abiertas con diferentes magnitudes y direcciones de esfuerzos actuando.

       III. Propiedades físico-mecánicas de los diferentes tipos de roca en las que está emplazada la excavación: Las rocas tienen diferentes comportamientos antes los esfuerzos exteriores a las que están sometidas, tienen diferentes resistencias a los esfuerzos de compresión, cizalla y en general diferente comportamiento geomecánico.

    IV. Geología estructural del sector: El tipo y características de las estructuras geológicas predominantes en el sector influirá en la estabilidad de la excavación. Un sector con mayor cantidad de fracturas será más inestable que otro sector en donde la presencia de planos de debilidad sea menor.

     V. Presencia de agua subterránea: La presencia de agua de infiltración de la napa freática puede provocar el lavando del material que cementa las diferentes estructuras, creando zonas de debilidad.

     VI. Método y calidad de la excavación: La utilización de técnicas de voladuras amortiguadas contribuye a la estabilidad de la excavación. El uso de explosivos de baja velocidad de detonación en los contornos de la excavación ayudara a conseguir excavaciones más estables.

      VII. Tipo de sostenimiento utilizado.

     VIII. Forma y dimensión de la excavación: La forma y dimensión de la excavación influirá en su propia estabilidad, es así que excavaciones con secciones de ancho excesivamente mayor a la altura, presentarán por su forma, inestabilidad en el techo y requerirán de sostenimiento.

Medición de los esfuerzos del macizo rocoso:

Para determinar la estabilidad de una excavación, la información más importante a obtener es:

Para medir los esfuerzos presentes en un macizo rocoso, existen diferentes métodos e instrumentos en los cuales a partir de una perforación se pueden medir los esfuerzos actuantes en tres dimensiones. Uno de los métodos más utilizados es el método overcoring CSIRO Hollow Inclusion que mide las deformaciones a través de celdas con sensores que son colocadas en una perforación, y que eléctricamente es posible medir los cambios de impedancia que se producen al sobre perforar el barreno original.

El método, en forma muy general, consta de las siguientes etapas:

II. Axialmente y en el fondo de la perforación de 6'', se realiza una perforación de 38 mm de diámetro y aproximadamente 70 cm de longitud en donde se introduce el instrumento de medición, el cual es fijado o pegado en el centro y fondo del barreno mediante una resina epóxica especial.

III. Se sobre perfora con diamantina los 70 cm finales a un diámetro de 6''.

IV. Se extrae el núcleo o testigo con el instrumento de medición en su interior y se realiza la lectura de las deformaciones generadas por la liberación de tensiones.

V. Posteriormente en laboratorio se determinan las constantes elásticas de la roca (módulo de Young y coeficiente de Poisson) introduciendo el núcleo de roca con el medidor en su interior en una celda de presión biaxial.

La magnitud y dirección de los esfuerzos presentes en el macizo rocoso se estiman in situ a partir de la medición de los desplazamientos producidos al liberar la muestra de roca macizo rocoso y de las características elásticas de la roca.

Exigencias técnicas:

II. Debe ser estable: la fortificación debe conservar la forma que se proyecta aún bajo la acción de las cargas.

III. Debe ser duradera: Su vida de servicio debe estar acorde con la vida de servicio de la excavación.

Exigencias de producción:

Exigencias económicas:

Los objetivos básicos de la fortificación se pueden resumir en:

La fortificación se clasifica según una serie de criterios:

NOTA IMPORTANTE: Selección entre refuerzo y soporte Evert Hoek (2004): Existe una confusión entre lo que es un soporte de roca y un refuerzo de roca.

II. Soporte, consistente en cerchas de acero o concreto, shotcrete o cuadros de madera, que son diseñados para estabilizar la masa rocosa mediante el control del colapso progresivo o deformación de la misma.

En términos simples se dice que el refuerzo en un sistema "activo" que actúa en el mismo instante que se instala, mientras que el soporte es uno "pasivo" que actúa cuando el macizo rocoso presenta esfuerzo fuera de los normales.

CRITERIOS DE DISEÑO DE FORTIFICACIÓN

2.TIPO DE FORTIFICACIÓN: En algunos casos, una parte de la fortificación usada en la preparación de las excavaciones subterráneas es del tipo "temporal", mientras que el resto se califica como definitiva o "permanente". En estos casos, los Ingenieros de Diseño deben complementar tales definiciones y dejarlas explícitamente indicadas en planos e informes para construcción.

3.DECRETO 72 - 1985: En este aspecto, el Ingeniero de Diseño deberá partir considerando como base de sus criterios lo señalado por el Reglamento de Seguridad Minera, Decreto Supremo N°72 de 1985 (Sernageomin, 1998), respecto a la fortificación de excavaciones, en su capítulo sexto, Artículos N°411 a N°419.

• Normativas y procedimiento de la acuñadura de las paredes y techo de la excavación de interés.

4.CONSIDERACIONES PRÁCTICAS: Las condiciones operacionales disponibles pueden limitar el uso de ciertos elementos de soporte en la fortificación de excavaciones. Por ejemplo, la instalación de shotcrete en una labor con insuficiente nivel de ventilación; uso de VCR en desarrollos subverticales; Raise-Borer con pernos lechados, etc.

5.GEOMETRÍA Y TAMAÑO EXCAVACIÓN: Tanto la formación de inestabilidades con control estructural como los niveles de distribución de esfuerzos inducidos dependen de la forma y dimensiones de las excavaciones que interesan, lo que deriva en la selección de ciertos elementos de soporte y su respectivo dimensionamiento.

6.DISPONIBILIDAD DE ACCESOS: Es básico contar con disponibilidad de accesos para llegar a las excavaciones de interés. Es preciso verificar que todos los equipos requeridos y los elementos de soporte definidos pueden llegar a la frente de trabajo en condición segura.

7.TÉCNICA DE EXCAVACIÓN: El método de excavación usado para desarrollar la excavación incide directamente en el daño inducido al macizo rocoso, hecho que deberá ser considerado para el diseño de soporte de la excavación que interesa. Es diferente el resultado geotécnico obtenido si utilizamos la técnica VCR para desarrollar un pique de traspaso en lugar del sistema Raise-Borer (con o sin desquinche).

8.CERCANÍA CON OTRAS EXCAVACIONES: Encontrarse en la vecindad y zona de influencia de otras excavaciones (contemporáneas o preexistentes), puede requerir aumentar la robustez de la fortificación a instalar. Por ejemplo, un crownpillar muy delgado entre excavaciones superpuestas o axiales, una caverna de chancado con varias excavaciones que convergen a ella, etc.

9.ESTADO TENSIONAL PRESENTE: Dato fundamental para estimar los esfuerzos inducidos y los sectores potenciales de falla (zonas con concentración de esfuerzos de corte, tracción y/o compresión) en la periferia de la excavación de interés.

10.SOLICITACIONES DINÁMICAS: Puede requerirse sistemas de soporte para condiciones dinámicas, tal como en los casos de zonas potenciales de estallidos de roca o donde los niveles de vibraciones debido a tronaduras de producción y/o preparación pueden superar la "resistencia" del diseño minero.

11.CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO: Junto con el estado tensional in situ e inducido, la calidad geotécnica del macizo rocoso son datos fundamentales para reconocer las necesidades de soporte en las excavaciones subterráneas. Se trata de minimizar la pérdida de propiedades geomecánicas in situ de la roca y evitar que se desarme prematuramente (daño no deseado); el macizo rocoso es el principal elemento de fortificación que debe aprovechar el diseñador.

12.GEOLOGÍA Y ESTRUCTURAS: El macizo rocoso está formado por estructuras geológicas y matriz de roca (litologías). Las primeras aportan a la formación de bloques, los que pueden ir desde unos pocos centímetros cúbicos a varios metros cúbicos. Mayor número de sistemas estructurales y poco espaciados (mayor frecuencia de estructuras) definen un macizo rocoso más fracturado. Por otra parte, en la medida que los bloques o cuñas sean formadas y dispongan de caras libres para su rotación y/o traslación, será necesario instalar sistemas de cables y pernos / malla en forma combinada.

13.CONDICIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA: La calidad de las aguas presentes (química) es un factor que define los elementos de fortificación, aditivos y las características de la secuencia constructiva a utilizar. Aguas con ph ácido (menores a 7) producen corrosión a los elementos de soporte y alteran las características mecánicas del acero. Paralelamente, se reduce la vida útil y la calidad del servicio estructural de ellos. En otros casos se debe analizar la potencial presión de poros que se podría generar en el entorno de la excavación y, por lo tanto, en el sistema de soporte instalado; esto último podría sugerir la definición de drenes que ayuden a minimizar este factor de esfuerzo intersticial cuando se use shotcrete.

14.TASA DE FORTIFICACIÓN REQUERIDA: Normalmente, los rendimientos alcanzados en el desarrollo de excavaciones se asocian y se ven influenciados por los tipos de fortificación que se instalan. En general, excepto en algunas condiciones particulares, el avance será más rápido en la medida que se instale fortificación menos compleja durante el ciclo operativo de desarrollo y sea mejor la calidad geotécnica del macizo rocoso en la frente. Lo anterior siempre sobre la base de cumplimiento de estándares de seguridad y calidad constructiva adecuada.

15.TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO SOPORTE: En general, la instalación del soporte exige que los elementos de fortificación y tipos de anclajes logren sus propiedades de diseño en el más breve plazo, en especial las lechadas, resinas y/o mortero proyectado; lo mismo en hormigones para muros, brocales y/o carpetas de rodados.

16.EXPERIENCIA ADQUIRIDA: Clasificada como información estratégica para diseño, en especial en aquellos casos donde se esperan condiciones geológicas, geotécnicas y geomecánicas similares a sectores ya explotados. La experiencia suele ser un dato fundamental para calibrar y validar resultados de diseños obtenidos mediante el uso de herramientas analíticas y/o de análisis numérico. Los sistemas de clasificación de macizos rocosos (e.g Laubscher, Bieniawski, Barton et al, entre otros) son un ejemplo clásico del uso de información empírica para estimar requerimientos de soporte en excavaciones subterráneas.

17.COSTOS ASOCIADOS: Los diseños de fortificación deben ser técnica y económicamente factibles de instalar. No debemos perder de vista los recursos económicos disponibles y que hacen que el proyecto sea rentable. Al mismo tiempo, el diseñador no debe, y no puede, transar seguridad por economía. Poner en riesgo la seguridad del personal y condición de los equipos corresponde a una situación no permitida en proyectos minero-metalúrgicos.

18.DISPONIBILIDAD: El diseñador no debe perder de vista el stock de elementos de soporte disponible en la faena y que son factibles de adquirir en el mercado. Luego de una justificación fundamentada técnicamente, puede requerir incorporar nuevos (innovar) elementos de soporte. Actualmente, en los proyectos mineros subterráneos es más común innovar en los sistemas de soporte (combinación de elementos de fortificación convencionales) que incorporar nuevos elementos al sistema; estos últimos llevan, inherentemente, a mayores gastos en entrenamiento, adquisición y expertizaje constructivo. Pese a esto último, proponer cambios y/o ajustes a la fortificación debe ser una opción a la innovación tecnológica, siempre y cuando se hayan realizado los estudios y pruebas que lo justifiquen técnica y económicamente.

SISTEMAS DE FORTIFICACION

LOS PASIVO: donde los elementos colocados vienen a ser el SOSTENIMIENTO del Macizo Rocoso, son externos al Macizo y deben soportar cualquier movimiento interno de la roca que está en contacto con el perímetro excavado.