Agujeros para pernos de roca: Por qué la perforación determina si el perno se sujeta
Un perno de roca es tan bueno como el agujero en el que se inserta. Puedes usar el acero de la más alta calidad, el mejor cartucho de resina y apretarlo al par especificado a la perfección, pero aun así fallará si el agujero se perforó con un ángulo incorrecto, a través de un plano de fractura o con un diámetro erróneo. El perno depende del agujero. Y el agujero depende de la broca y la varilla de perforación utilizadas para hacerlo.
El anclaje de techo es el método de sostenimiento más común en la minería subterránea y la construcción de túneles, y con razón: es rápido, flexible y cuesta una fracción de lo que cuestan los anclajes de acero o los revestimientos de hormigón proyectado. Pero la velocidad y el bajo costo solo funcionan si el anclaje se realiza correctamente. Aquí te explicamos qué significa "correctamente hecho" desde la perspectiva de la perforación, antes incluso de colocar el perno.
Ángulo del agujero: la geometría que lo determina todo
Un perno de roca funciona anclándose en roca resistente más allá de la zona fracturada o deformable, y luego aplicando tensión para comprimir la roca suelta contra la roca estable que se encuentra detrás. Para que esto funcione, el perno debe intersecar las capas de roca en el ángulo correcto.
La regla fundamental es que los pernos deben instalarse perpendicularmente a la superficie de la roca siempre que sea posible. Un perno instalado en ángulo con respecto a la superficie crea una distribución de esfuerzos asimétrica: un lado del perno soporta una carga mayor que el otro, la placa de apoyo no se asienta de forma plana y la fuerza de sujeción efectiva del perno se reduce.
En roca estratificada o laminada, el ángulo ideal del perno es perpendicular a los planos de estratificación, no necesariamente perpendicular a la superficie de excavación. Un perno paralelo a la estratificación es prácticamente inútil; es como intentar clavar un clavo a través de las páginas de un libro desde el lomo. Las páginas aún pueden deslizarse unas sobre otras porque el clavo está orientado en la dirección del deslizamiento, no transversalmente.
Perforar un agujero con un ángulo preciso en una galería subterránea estrecha, usando un taladro manual, es más difícil de lo que parece. La broca tiende a desviarse al tocar la roca. El operario debe luchar contra el peso del taladro. El terreno puede ser irregular en la zona marcada para la perforación. Y si los primeros centímetros del agujero están desviados, el resto también lo estará; una vez dentro de la roca, no se puede guiar una varilla de perforación cónica.
La clave está en la preparación: marque claramente la ubicación del orificio, coloque la broca de manera que la varilla esté en el ángulo deseado antes de que toque la roca y comience a perforar con poca presión de avance y baja velocidad de rotación hasta que la broca haya formado un collar limpio. Esos primeros segundos de perforación determinan si el perno que se inserte en ese orificio cumplirá su función.
Profundidad del agujero: No te detengas en la fractura.
Un orificio para perno demasiado superficial —que se detiene dentro de la zona fracturada o erosionada en lugar de alcanzar la roca sólida— es un perno anclado en un material que no puede soportarlo. La primera vez que el terreno se mueve, el punto de anclaje se desplaza con él y el perno pierde tensión.
La profundidad requerida del orificio viene determinada por la longitud del perno, que a su vez depende de la geología. El perno debe extenderse al menos entre 0,3 y 0,5 metros más allá de la zona de fractura estimada, hasta alcanzar roca resistente. Si la zona de fractura tiene 2 metros de espesor, se necesita un perno de al menos 2,5 metros, y el orificio debe tener la profundidad suficiente para alojar la longitud total del perno más el cartucho de resina.
Esto parece obvio. Lo que no es tan obvio es que la profundidad requerida para perforar tiene implicaciones en la selección de la broca y la barra de perforación. Un agujero profundo para pernos (3 metros o más, algo común en minas de gran calado) requiere una barra de perforación lo suficientemente larga para alcanzar esa profundidad sin necesidad de añadir extensiones a mitad del agujero. Requiere una broca que pueda perforar en línea recta a esa profundidad sin desviarse. Y necesita un flujo de fluido lo suficientemente fuerte como para eliminar los detritos de un agujero más largo que la altura del operador.
Zonas de fractura: El agujero que no puedes ver
El peor agujero para un perno es aquel que se perfora directamente en un plano de fractura y sale por el otro lado hacia terreno suelto. El perno entra, la resina fragua, todo parece estar bien, pero la primera vez que el terreno se carga, el perno se sale porque estaba anclado en un bloque que no estaba sujeto a nada sólido.
La responsabilidad del perforador es prestar atención a lo que indica la broca. Cuando la broca alcanza una zona de fractura, la velocidad de penetración cambia; generalmente aumenta a medida que la broca atraviesa el terreno, ya sea abierto o fracturado. El sonido de la perforación también cambia: el impacto se vuelve menos nítido y más hueco. El retorno de la presión puede disminuir si el agua o el aire se filtran en la fractura en lugar de regresar por el pozo.
Cualquiera de estas señales indica que el orificio ha interceptado una fractura significativa. Si ocurre cerca de la profundidad objetivo, el perno aún podría ser viable, ya que la fractura podría estar por encima de la zona de anclaje. Si ocurre antes, es necesario abandonar el orificio y volver a perforarlo en una ubicación o ángulo diferente. Continuar perforando en una zona de fractura e instalar un perno allí implica instalar un perno que ya está comprometido.
Fijación con resina: La química que exige agujeros limpios
Los pernos anclados con resina —el tipo más común en la minería moderna— utilizan un cartucho de resina de dos componentes que se inserta en el orificio delante del perno. Al girar el perno dentro del orificio, se rompe el cartucho, se mezclan la resina y el endurecedor, y la mezcla se solidifica alrededor del perno para formar un anclaje químico.
Para que la resina se adhiera correctamente, la pared del orificio debe estar limpia. El polvo de roca, los restos de perforación o el lodo que quede en el orificio impedirán que la resina haga contacto total con la roca, reduciendo la fuerza de adhesión. Un orificio lleno de restos de perforación también impedirá que la resina fluya hacia el espacio anular entre el perno y la pared del orificio; la resina será expulsada del orificio en lugar de penetrar en el espacio.
La solución consiste en un flujo de lavado adecuado durante la perforación y una purga final una vez que el orificio alcance la profundidad deseada. Deje correr el agua o el aire de lavado durante unos segundos adicionales después de que la broca deje de avanzar para eliminar cualquier resto de virutas del orificio. Esto solo toma unos segundos y mejora significativamente la fiabilidad de la unión de la resina.
La conexión de perforación y atornillado
El anclaje y la perforación de rocas suelen estar a cargo de equipos diferentes: los perforadores hacen los agujeros y los instaladores colocan los pernos. Sin embargo, la calidad del anclaje se determina durante la perforación. Un perno instalado en un agujero mal perforado (con ángulo o profundidad incorrectos, o con paredes sucias) fallará independientemente de la precisión con la que se instale.
Para el perforador, esto significa comprender que esos agujeros para pernos no son simples agujeros. Son la base del sistema de soporte del terreno, y la broca y la varilla de perforación que los hicieron son el primer eslabón de la cadena de seguridad.
