Ciencias naturales

Artículo de investigación  

 

Ensayo de compresión en rocas para determinar la carga máxima que soporta un pilar de contención en una Mina subterránea

 

Rock compression test to determine the maximum load supported by a containment pillar in an underground Mine

 

Teste de compressão de rocha para determinar a carga máxima suportada por um pilar de contenção em uma mina subterrânea

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*Recibido: 20 de junio de 2020 *Aceptado: 30 junio de 2020 * Publicado: 18 de julio  de 2020

 

I.         Magíster en Gestión Industrial y Sistemas Productivos, Magíster en Seguridad Industrial Mención Prevención de Riesgos y Salud Ocupacional, Ingeniero Industrial, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Recursos Naturales, Macas, Ecuador.

II.      Magíster Construcción, Bachiller en Construcción Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Recursos Naturales, Macas, Ecuador.

III.   Investigador Independiente, Ecuador.

 

 

Resumen

El presente artículo tiene como objetivo determinar la carga máxima que puede soportar un pilar de contención dentro de una mina subterránea, este estudio se realiza en base a la prueba de compresión; que se ejecuta a probetas estandarizadas (cilindros) estas tomadas como muestras del macizo rocoso del suelo a ser analizado (roca Andesita). Para el ensayo de compresión utilizaremos la máquina universal la misma que aplica una carga en uno de los extremos del cilindro hasta lograr deformarlo, estos resultados los podemos graficar. Utilizando la definición de la ley de Hooke realizamos el diagrama esfuerzo – deformación, el mismo que permite determinar el módulo de Young, conocido actualmente como coeficiente de elasticidad de un material, de esta manera determinar las características mecánicas de dicho material, tales como dureza y resistencia, de esta forma llegar a cumplir el objetivo de esta investigación. Para garantizar que los datos obtenidos sean los más reales posibles se realizará el mismo procedimiento a 4 probetas con las mismas características (tamaño, forma, diámetros y mismo material) de esta forma poder llegar a encontrar variaciones por características propias del material como porosidad, humedad, velocidad de carga aplicada etc., y poder realizar un análisis de los datos obtenidos para su interpretación conclusión y recomendaciones.

Palabras claves: Probeta; carga máxima; ensayo; compresión; deformación; máquina universal; esfuerzo.

 

Abstract

The objective of this article is to determine the maximum load that a containment pillar can bear within an underground mine. This study is carried out based on the compression test; that is executed to standardized test tubes (cylinders) are taken as samples of the rocky massif of the soil to be analyzed (Andesite rock). For the compression test we will use the universal machine that applies a load to one of the ends of the cylinder until it is deformed. These results can be graphed. Using the definition of Hooke's law, we carry out the stress-strain diagram, the same one that allows us to determine Young's modulus, currently known as the coefficient of elasticity of a material, in this way to determine the mechanical characteristics of said material, such as hardness and resistance, in this way to achieve the objective of this research. To guarantee that the data obtained are the most real possible, the same procedure will be carried out on 4 specimens with the same characteristics (size, shape, diameters and the same material) in this way to be able to find variations due to characteristics of the material such as porosity, humidity , applied load speed, etc., and to be able to perform an analysis of the data obtained for its interpretation, conclusion and recommendations.

Keywords: Test tube; maximum load; test; compression; deformation; universal machine; effort.

 

Resumo

O objetivo deste artigo é determinar a carga máxima que um pilar de contenção pode suportar dentro de uma mina subterrânea Este estudo é realizado com base no ensaio de compressão; que é executado para tubos de ensaio padronizados (cilindros) são tomadas como amostras do maciço rochoso do solo a ser analisado (rocha andesita). Para o ensaio de compressão utilizaremos a máquina universal que aplica uma carga em uma das extremidades do cilindro até que se deforme, resultados estes que podem ser representados graficamente. A partir da definição da lei de Hooke realizamos o diagrama tensão-deformação, o mesmo que nos permite determinar o módulo de Young, atualmente conhecido como coeficiente de elasticidade de um material, desta forma determinar as características mecânicas desse material, como dureza e resistência, desta forma, para atingir o objetivo desta pesquisa. Para garantir que os dados obtidos sejam os mais reais possíveis, o mesmo procedimento será realizado em 4 corpos-de-prova com as mesmas características (tamanho, forma, diâmetros e mesmo material) de forma a poder encontrar variações devido às características do material como porosidade, umidade , velocidade de carga aplicada, etc., e ser capaz de realizar uma análise dos dados obtidos para sua interpretação, conclusão e recomendações.

Palavras-chave: Tubo de ensaio; Carga máxima; teste; compressão; deformação; máquina universal; esforço.

 

Introducción

La minería ha sido desde la antigüedad, una de las actividades fundamentales para el progreso económico y técnico del hombre. La casi totalidad de los bienes materiales que el hombre utiliza, proviene de la transformación de productos naturales, donde los recursos mineros ocupan un lugar destacado. (Marcelo Ruiz Días, 2009)

“Mecánica de rocas es la ciencia teórica y aplicada que estudia el comportamiento mecánico de las rocas y los macizos rocosos. Sería pues la rama de la ingeniería dedicada al estudio de la respuesta de las rocas y macizos rocosos al campo de fuerzas que actúan en su entorno”. (RAMIREZ, 2004)

La minería subterránea tiene como finalidad extraer recursos naturales bajo la superficie de la tierra, las minas de superficie excavan de arriba hacia abajo, un método que puede volverse ineficiente a profundidades superiores a los 60 metros. Todas las minas subterráneas tienen algunos componentes cruciales en común: mangas de ventilación para eliminar los humos tóxicos de las perforaciones, rutas de escape, ejes de acceso para transportar trabajadores y equipos; túneles de transporte de mineral, pozos de recuperación para llevar el mineral excavado a la superficie y sistemas de comunicación para enviar información de ida y vuelta entre la superficie y los niveles inferiores de la mina. (Ingeoexpert, 2019)

Sin embargo, no existe dos minas iguales, por ello para garantizar la seguridad e integridad de los trabajadores a la hora de realizar sus actividades se debe tener en cuenta un aspecto fundamental como las características mecánicas (dureza y resistencia) de las rocas para garantizar la estabilidad de la mina.

Los pilares de contención utilizados en la minería subterránea para ser más claro en métodos como el de cámaras y pilares, estos pilares tienen la función de contener el techo que se encuentra sobre la mina, en muchas ocasiones estos pilares están formados por la misma roca del depósito y otras son reforzados con hierro u otro material (Fritzsche, 1965).

La accidentabilidad en la minería ha tenido episodios fatales en nuestro país, uno de los más recordados en la provincia de Morona Santiago fue el ocurrido en la empresa San Carlos Panantza, donde 3 mineros perdieron la vida a causa de una fractura en los pilares de contención, el cual se desplomo dejando caer toneladas de material encima de ellos.

El presente artículo describe como calcular la resistencia de una de las rocas más comunes en la minería “Andesita”, la cual con pruebas de compresión buscaremos obtener valores máximos que puede resistir esta roca.

Para garantizar que los datos obtenidos sean los correctos se realizará cuatro ensayos de compresión bajo las mismas condiciones, se realizará un análisis de cada uno de ellos, para al final realizar un solo gráfico de los cuatro ensayos, mediante la gráfica esfuerzo deformación se obtendrá la carga máxima a soportar el material.

 

Metodología

Ensayo de compresión

La resistencia de un material depende de su capacidad para soportar una carga excesiva sin presentar deformación o falla. Esta propiedad es inherente al propio material y debe determinarse mediante la experimentación. Una de las pruebas más importantes a este respecto es el ensayo de tensión o compresión (Hibbeler, 2011)

 

 

 

 

 

 

 

                       

Ilustración 1. Ensayo de compresión

 

Procedimiento

l  Anotamos las dimensiones para evaluar el área transversal.

l  Verificamos que la máquina universal esté en las condiciones adecuadas (en cero).

l  Coloque la probeta centrada en los platos de compresión de la máquina universal.

l  A través del software de control, programe la máquina para ejecutar el ensayo de compresión.

l  Proceda a la realización del ensayo hasta que se note que la muestra falle. (obsérvese fisuras).

l  Aplicar la carga progresivamente

l  Retire la probeta de la máquina y proceda a colocar una nueva muestra repitiendo el procedimiento antes descrito. (Nieto & avendaño, 2015)

 

 

 

Tabla 1. Datos ensayo de compresión

 

 

Indicaciones para el ensayo

Para establecer las características de la roca en estudio debemos conocer varios aspectos fundamentales tales como:

Esfuerzo de compresión

Se evalúa dividiendo la fuerza axial aplicada sobre un área trasversal (perpendicular) a la dirección de la fuerza.

 

Deformación unitaria

El valor de la deformación (Unitaria),  es el cociente de alargamiento (deformación Total)  y la longitud inicial en la que se ha producido, por lo tanto, tenemos: (Pyntel, 1994)

 

 

Ductilidad. – Cualquier material que pueda someterse a

grandes deformaciones antes de fracturarse se denomina material dúctil. (Hibbeler, 2011)

El porcentaje de elongación es la deformación a la fractura

expresada en porcentaje. Por lo tanto, si la longitud calibrada

original de la probeta es y su longitud a la fractura es entonces:

 

   (3)

 

Otra manera de especificar la ductilidad es el porcentaje de reducción de área. Está definida dentro de la región de estricción de la siguiente manera:

 

   (4)

 

Diagrama de esfuerzo-deformación

Si los valores correspondientes de   se trazan de manera que el eje vertical sea el esfuerzo y el eje horizontal sea la deformación, la curva resultante se llama diagrama de esfuerzo-deformación convencional. Sin embargo, tenga en cuenta que dos diagramas de esfuerzo deformación para un material particular serán muy similares, pero nunca exactamente iguales. Esto se debe a que los resultados en realidad dependen de variables tales como la composición del

material, imperfecciones microscópicas, la forma en que se fabrica, la rapidez con que se aplica la carga y la temperatura

durante la realización del ensayo. (Hibbeler, 2011)

 

Ilustración 2. Diagrama esfuerzo deformación

 

Materiales y equipo

A continuación, describimos cada uno de los equipos y materiales que se utilizan para realizar el ensayo.

Máquina universal

La máquina consiste de dos partes esenciales: Una estructura superior y una inferior. En la estructura superior se realizan las diferentes pruebas y se encuentra el reloj para observar la carga aplicada mientras que la estructura inferior se encarga de soportar el peso de la máquina (peso muerto) y servir de alojamiento para los distintos aditamentos que se utilizan en las pruebas, las cuales se realizan gracias a la fuerza generada por un gato hidráulico de operación manual con la capacidad suficiente para desarrollar las pruebas.

 

 

 

 

 

 

Ilustración 3. Máquina universal (laboratorio ESPOCH)

 

Probetas de estudio

Las probetas de roca estandarizadas no se las puede obtener por cualquier método convencional, en la minería es muy común extraer este tipo de probetas para determinar la dureza, resistencia y permeabilidad de la roca madre. A estas se la conocen como testigos en el ámbito minero, las cuales se pueden conseguir mediante máquinas perforadoras o máquinas de sondeos (maquinaria específica para realizar aperturas de orificios de diámetros pequeños para el estudio de la roca).

Máquina especializada que incluye la realización de sondeos rotativos con recuperación de testigos continuos. Esta realiza perforaciones y recuperaciones según la norma ASTM D7401, pudiendo realizar obtenciones de testigos desde diámetros de 45 a 70mm.

 

 

 

 

 

 

 

Ilustración 4. Máquina universal (laboratorio ESPOCH)

 

Descripción de la probeta

A continuación, se detalla las dimensiones de cada una de las probetas para el ensayo.

 

Tabla 2. Datos de la probeta

 

 

.

Ilustración 5. Testigos o probetas cilíndricas

 

Desarrollo

Proceso de obtención de datos

A continuación, se realiza el ensayo de compresión a cada una de las probetas siguiendo el procedimiento antes indicado. Estos datos para cada uno de las prácticas realizadas.

Ensayo N°1.

 

Tabla 3. Valores de deformación

 

 

 

Ilustración 6. Carga vs alargamiento

 

Ensayo N°2

De la misma forma se procede a realizar el ensayo con la probeta N°2 para determinar la grafica carga aplicada vs alargamiento.

 

 

 

Tabla 4. Valores de deformación

 

 

Ilustración 7. Carga vs alargamiento

 

Ensayo N° 3

A continuación, se procede a realizar el ensayo con la probeta N° 3 para determinar la gráfica carga aplicada vs alargamiento con los datos obtenidos.

 

 

 

 

 

Tabla 5. Valores de deformación

 

 

Ilustración 8. Carga vs alargamiento

 

Ensayo N° 4

De la misma forma se procede a realizar el ensayo con la probeta N°4 para determinar la gráfica carga aplicada vs alargamiento.

 

 

 

 

Tabla 6. Valores de deformación

 

 

Ilustración 9. Carga vs alargamiento

 

Análisis del proceso de obtención de datos por comprensión

Mediante los gráficos obtenidos de cada ensayo realizado se determina que cada probeta al ser sometida a comprensión sigue un mismo modelo, ósea no varían drásticamente, esto sucede porque las probetas ensayadas son del mismo material, mismas características, su variación depende de factores propios de cada una de ellas como es porosidad, humedad, velocidad de aplicación de fuerza etc.

Como se puede observar en las ilustraciones del ensayo 1 y 2 no se puede notar alguna diferencia de alargamiento a simple vista ya que presentan casi la misma curva, al contrario, en las ilustraciones del ensayo 3 y 4 si se nota una mayor deformación al estar sometido a cargas máximas de 2503.79Kgf y 2504.79Kgf respectivamente, puesto que, a mayor carga, mayor alargamiento se presenta en el cuerpo.

 

Resultados y Discusión

Norma a aplicar; ASTM D7012

Conocida como método de prueba estándar para resistencia a la compresión y módulos de elasticidad de varias muestras de rocas de núcleos bajo diferentes estados de estrés y temperaturas. Estos métodos de ensayo cubren la determinación de la fuerza de especímenes del núcleo de roca intacta en compresión uniaxial y triaxial. Las pruebas proporcionan datos en la determinación de la fuerza de roca, a saber: la resistencia uniaxial, fuerzas de cizallamiento en presiones diferentes y a temperaturas elevadas, el ángulo de fricción interna, (ángulo de resistencia al cizallamiento), y la cohesión intercepción.

Los métodos de ensayo especifican en el aparato, la instrumentación, y procedimientos para la determinación de la tensión-deformación axial y las curvas de deformación-esfuerzo lateral, así como el módulo de Young, E ratio y de Poisson, v. Se debe observar que estos métodos no prevén medidas de presión de poro y las muestras son sin escurrir (placas no son ventiladas). Así, los valores de resistencia determinados son en términos de tensión total, es decir, no son corregidos por las presiones intersticiales. Estos métodos de ensayo no hacen incluir los procedimientos necesarios para obtener una curva de tensión-deformación más allá de la resistencia a la rotura

Probeta 1

Una vez realizado el ensayo la máquina universal nos arroja los siguientes datos los mismos que generan la siguiente gráfica.

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 7. Deformación por compresión

 

 

Tabla 8. Características de material

 

 

 

 

 

 

 

Ilustración 10. Diagrama esfuerzo deformación

 

Podemos evidenciar que la curva nos representa un módulo de elasticidad muy pequeño característico del macizo rocoso estudiado.

La línea recta representa la zona elástica, el material soporta la carga sin deformarse, la siguiente curva indica que el material empieza a sufrir fractura interna, la curva final representa que el material se fracturó. Podemos considerar que la curva indica que el material es muy rígido y poco flexible.

Probeta 2

Continuamos realizando el ensayo N°2 en la máquina universal obteniendo los siguientes datos descritos a continuación.

 

Tabla 9. Deformación por compresión

 

 

Tabla 10. Características de material

 

 

 

Ilustración 11. Diagrama esfuerzo deformación.

 

La gráfica obtenida luego de realizar el ensayo con la probeta N°2 indica que el material tiene un coeficiente elástico casi nulo esto quiere decir que es muy rígido y poco flexible, cabe recalcar que, aunque varían en sus puntos críticos, la gráfica sigue la misma tendencia que la de la probeta N° 1.

Probeta 3

Continuamos realizando el ensayo de la misma manera que con la probeta 1 y 2 en la máquina universal obteniendo los siguientes datos detallados en la siguiente tabla.

 

Tabla 11. Deformación por compresión

 

 

 

Tabla 12. Características de material

 

 

Ilustración 12. Diagrama esfuerzo deformación

 

Nuevamente la gráfica obtenida nos indica que el material es muy rígido o poco elástico, su módulo de Young es muy pequeño, se puede notar también que, aunque varían los valores en sus puntos críticos, la gráfica sigue la misma tendencia que la de la probeta 1 y 2.

Probeta 4

Finalmente realizamos el ensayo en la probeta N° 4, la misma que registra los siguientes datos.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 13. Deformación por compresión

 

 

Tabla 14. Características de material

 

 

Ilustración 13. Diagrama esfuerzo deformación

 

Se puede interpretar que la curva descrita por los datos generados por la probeta N° 4 indica que su módulo de Young es mínimo, (casi cero), lo que nos permite determinar que el material es muy resistente a la deformación por tracción, característicos de los materiales de hormigón, se puede decir que este tipo de materiales posee características similares a un hormigón prediseñado.

Una vez realizado los ensayos en las 4 probetas, obtenemos la gráfica esfuerzo - deformación, observando que el comportamiento de las mismas es muy similar, esto indica que las propiedades internas de los testigos son casi las mismas, con un pequeño desfase en sus puntos críticos, ya que ninguna probeta será exactamente igual.

A continuación, determinamos el esfuerzo, la carga máxima y el área promedio de todas las muestras obteniendo los siguientes resultados.

 

Tabla 15. Datos promedio

 

 

Comparaciones de resistencia con datos estandarizados

Para finalizar realizamos la comparación de los resultados obtenidos con datos estandarizados de esta manera comprobar si los ensayos están dentro del rango establecido.

 

Tabla 16. Peso máximo a soportar

 

 

 

 

 

 

 

 

Cálculo de Peso a soportar por cm² de roca

 

Tabla 17. Peso máximo a soportar

 

 

 

 

 

Después de las pruebas de ensayo se pudo determinar, el peso máximo que se puede soportar la probeta, con la cual podemos estimar u obtener el peso máximo que se debe ejercer por , para no provocar una ruptura en los pilares de contención, con estos datos obtenidos podemos analizar cuanto es el peso máximo que puede ejercer en un pilar de contención según sus medidas estandarizadas.

 

Tabla 18. Peso máximo a soportar por cm²

 

 

En las tablas 17 y 18 se puede observar la resistencia de la Andesita y por ende el peso máximo que puede soportar esta por cada cm² de roca en un pilar de contención. Después de varios cálculos se determinó el peso máximo de varias probetas de Andesita, las cuales promediamos para obtener un peso estandarizado de nuestro ensayo en esta roca.

Posterior a obtener los datos del ensayo de compresión, se comenzó a hacer una pequeña comparación con datos estandarizados de pilares de contención dentro del país, no muy profunda pero esencial, la cual nos otorgó resultados de resistencias, pesos máximos que se aplican en un pilar estandarizado de 3.5 m x 3.5m.

Durante la elaboración del presente proyecto se determinó que los resultados mostrados después de los ensayos de compresión, es un valor mucho menor a lo estandarizado, lo cual nos quiere decir que hay un gran índice de probabilidad que los pilares de contención tengan fracturas y dado que pueden existir posibles accidentes durante la labor, con esto se trata de demostrar que el peso aplicado para un pilar estandarizado es muy riesgoso, por lo tanto lo recomendable es que esta estructura soporte un peso máximo de 129900.75 toneladas de materia estéril (suelo), según el análisis aplicado en el ensayo.

 

Conclusiones

Los datos obtenidos en los ensayos de compresión nos permitieron determinar las características mecánicas de la (Andesita) roca en estudio, cada una de las probetas ensayadas al aplicar una carga en aumento presentan características propias, estas varían en un rango muy pequeño, pero podemos decir que siguen el mismo comportamiento, las gráficas detallan que su variación no es significativa, aunque sus puntos críticos son muy próximos ninguno de ellos coincide.

Es fundamental obtener la resistencia de la roca por ensayo de compresión de esta manera determinar el esfuerzo que esta sufre internamente al ser sometida a una carga axial, de esta manera garantizar la seguridad y estabilidad de talud, lozas y techos de las minas subterráneas.

Por otro lado, se debe tener en cuenta que los límites máximos de carga deben tener un factor de seguridad, este debe ser el mas alto recordando que dentro de las minas están personas y la integridad de cada uno de ellos depende del diseño y los materiales que en estos se utilizan para la construcción o reforzamiento de estos pilares.

Para la realización del ensayo de compresión en rocas fue necesario guiarse por estándares determinados por la norma ASTM D7012 la cual nos sirvió de guía, desde la elaboración de las probetas hasta las cargas máximas a aplicar para el ensayo.

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 19. Peso máximo a soportar por cm²

 

 

Posterior al ensayo de compresión obtuvimos datos de cargas aplicadas y deformación de la roca, con las cuales, siguiendo su respectivo proceso logramos receptar datos de esfuerzos máximos que se debe ejercer en la probeta para evitar su fractura.

La obtención de estas probetas no fue nada sencillo, puesto que para obtenerlas debemos seguir un proceso minero conocido como sondeo, utilizando diferentes maquinarias se pueden obtener las probetas conocidas en el ámbito minero como testigos.

En la minería subterránea es muy importante el análisis de resistencia de la roca ya sea por la fabricación de pilares u otro tipo de estructura como se explica anteriormente, si este tipo de análisis no es tomado en cuenta puede ocasionar grandes accidentes tanto en el personal como en la maquinaria o la estructura. Por lo mismo hago énfasis que la resistencia de las rocas (Mecánica de rocas), es prescindible dentro del ámbito minero.

 

Referencias

1.        Fritzsche, C. (1965). Tratado de laboreo de minas. Madrid, España: Labor, S.a.

2.        Hibbeler, R. C. (2011). Mecánica de materiales. México: Pearsón educación .

3.        Ingeoexpert. (18 de Enero de 2019). Ingeoexpert. Obtenido de https://ingeoexpert.com/2019/01/18/la-mineria-subterranea-en-que-consiste/?v=3fd6b696867d

4.        Marcelo Ruiz Días. (2009). Salud y seguridad en trabajos de mineria. Buenos Aires: Aulas y andamios.

5.        Nieto, G. C., & avendaño, D. P. (2015). Guía de laboratorio de Resistencia de materiales. Bogota D.C: Inimagdalena.

6.        Pyntel, A. (1994). Resistencia de materiales. México: Mexicana.

7.        RAMIREZ, P. A. (2004). Mecánica de rocas e ingenieria de taludes. Madrid : E.T.S.I. Minas (UPM).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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