ES2340341T3

ES2340341T3 - Perno para roca deformable.

Info

Publication number: ES2340341T3
Application number: ES07860927T
Authority: ES
Inventors: Charlie Chunlin Li
Original assignee: Dynamic Rock Support AS
Current assignee: Dynamic Rock Support AS
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2010-06-01
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: MX2009006804A; NO342673B1; CN101720379A; BRPI0720592B1; AU2007338947B2; EP2094944B1; NO20110667L; EP2094944A1; ATE455933T1; JP5777282B2; JP2010513763A; KR101142635B1; US20100021245A1; NO20120439L; JP5825330B2; NO20070320L; NO332393B1; BRPI0720592A2; CN101720379B; KR20090117701A

Abstract

Perno para roca para su enlechado en un barreno en una roca, estando caracterizado dicho perno para roca porque presenta - un alma maciza cilíndrica alargada (1) con una parte roscada (3a) en la parte de superficie de barreno de dicha alma (1), estando provista dicha parte roscada (3a) de una o más tuercas (3b) y de una o más arandelas, poleas o placas (3c) frontales dispuestas para pretensar el perno para roca en el barreno; - comprendiendo dicha alma (1) tres o más longitudes extensas de partes de alma (1s), estando seguida cada parte de alma por un anclaje integrado (2a, 2b, 2c, ...), siendo dichos anclajes (2a, 2b, 2c, ...) de extensión corta en comparación con la extensión de dichas partes de alma (1s), estando distribuidos dichos anclajes (2a, 2b, 2c, ...) con unas separaciones (La) a lo largo de la longitud de dicha alma (1); - estando destinados dichos anclajes (2a, 2b, 2c, ...) para anclarse localmente con relación a sus partes de pared de barreno local correspondientes para absorber la carga que se produce debido a la deformación de la roca, - estando dispuestas dichas partes de alma (1s) para deslizarse con relación a la lechada o el barreno, para que cada una de dichas almas (1s) limite la deformación local de la roca mediante el alargamiento de dichas partes de alma entre pares de un anclaje anterior anclado localmente (2a, 2b,...) y un anclaje posterior anclado localmente (2b, 2c, ...).

Description

Perno para roca deformable.

Introducción

La presente invención se refiere al empernado para reforzar rocas sometidas a deformación lenta o derrumbe repentino. El empernado es la medida más comúnmente utilizada para reforzar rocas en excavaciones subterráneas. Cada año se consumen millones de pernos para roca en el mundo. Las demandas básicas para los pernos para roca son que deben poder soportar no sólo una carga pesada, sino también resistir un determinado alargamiento antes de que el perno falle. En masas rocosas sometidas a una tensión elevada, la roca reacciona a la excavación o bien en forma de una gran deformación en rocas débiles, o bien de derrumbe de la roca en rocas duras. En estas situaciones, se requieren pernos que puedan tolerar la deformación (o que puedan absorber la energía) con el fin de lograr un buen efecto de refuerzo de la roca. Particularmente, en la industria minera, esta necesidad de pernos que puedan tolerar la deformación es incluso más fuerte que en otros campos relacionados con las rocas dado que las actividades mineras son cada vez más y más profundas y los problemas de la deformación y el derrumbe de las rocas son cada vez más graves.

Antecedentes de la técnica

El documento WO99/61749 de Ferguson: "Rock bolt and method of forming a rock bolt" describe indentaciones que forman secciones de paleta formadas mediante la deformación plástica de una parte de una barra de acero, realizándose la deformación mediante la aplicación de una fuerza de corte excéntrica sobre la barra, dando como resultado paletas tales como las que se han vuelto a trazar en la figura 8 de la presente solicitud. Los fines del perno para roca de Ferguson son que la paleta mejore el mezclado y que la formación de corte de la paleta no deforme plásticamente el perno en sentido axial ni lateral del perno. Ferguson propone una cubierta expansible montada incluyendo cuñas que actúan de manera radial para interaccionar con las paletas y expandir las cubiertas para bloquear el perno respecto a la pared del orificio del perno. Además, Fergurson propone una pluralidad de secciones de paleta formadas a lo largo de la extensión del perno. Un inconveniente significativo de las paletas de Ferguson es que el procedimiento de fabricación que implica la deformación de una parte del perno mediante la aplicación de una fuerza de corte excéntrica, hace que la sección de paleta constituya el punto más débil de modo que no podría proporcionar un efecto de anclaje satisfactorio.

La solicitud de patente US 2005/0158127A1 también de Ferguson, "Yielding strata bolt" describe un perno para roca que presenta un tendón que puede ceder deslizándose a través de los anclajes en vez de porque ceda el material del tendón, y de este modo se controla el movimiento de las rocas inestables en las que está dispuesto el perno. El tendón como tal puede estar constituido por filamentos de hilo o una barra metálica, y presenta un tubo circundante dispuesto como mecanismo de deslizamiento de lechada. Los anclajes de lechada están constituidos por dos partes de anclaje simétricas fijadas al tendón, véase la figura 9 de la presente solicitud. Un inconveniente del documento US2005/0158127 es el hecho de que el elemento de tensión sólo se deforma y no se refuerza en comparación con la parte recta del mismo, y por tanto el perno es susceptible de romperse en el anclaje, particularmente si el elemento de tensión está hecho a partir de una barra sólida. Otro inconveniente del documento US2005/0158127 es el mero número de componentes requeridos para formar un perno para rocas funcional.

La patente alemana DE 35 04 543 define una varilla de anclaje para su inserción y enlechado o encolado en barrenos en cavidades bajo la superficie. El anclaje presenta una varilla de anclaje con secciones que presentan una superficie perfilada para su conexión con la roca y una parte roscada de un solo extremo con una tuerca solidaria con o soldada a la propia varilla. La varilla de anclaje presenta una placa de anclaje fija, solidaria o soldada que separa entre la parte roscada externa y la parte parcialmente perfilada interna al barreno de la varilla de anclaje y por tanto no puede usarse para pretensar la varilla de anclaje en el barreno. Un perfilado de superficie de la varilla de anclaje se forma mediante una formación de onda en la dirección longitudinal de una varilla originalmente lisa con una sección transversal redonda. La varilla del documento DE 35 04 543 presenta tres secciones consecutivas para asentarse en un barreno: una parte media de proyección libre, lisa de la varilla de anclaje con una transición a una parte ondulada de la varilla en cada extremo de la sección media lisa, presentando la transición un aumento de amplitud de onda en la dirección alejada de la sección media lisa. La parte lisa es para absorber las fuerzas longitudinales que aparecen tras producirse la deformación de la roca, pero no puede impedir la deformación inicial de la roca debido al hecho de que el perno para roca puede no estar pretensado en el barreno.

Problemas que se van a resolver

Según el mecanismo de anclaje, todos los dispositivos de empernado se clasifican en tres categorías: (a) pernos mecánicos, (b) pernos completamente enlechados y (c) pernos de fricción.

(a):: los pernos mecánicos convencionales se anclan en dos puntos en orificios abiertos. No son fiables en caso de gran deformación de la roca.

(b):: Los pernos completamente enlechados se refieren principalmente a pernos de refuerzo enlechados en orificios con o bien cemento o bien resina epoxídica. Un perno de refuerzo se fabrica a partir de una barra de acero con nervaduras en su superficie cilíndrica. Este tipo de perno es rígido y tolera sólo pequeñas deformaciones antes de fallar. A menudo, se ha observado que los pernos de refuerzo fallan en masas rocosas con mucha tensión (Li, 2006a).

(c):: Los pernos de fricción puede soportar una gran deformación, pero su capacidad de soporte de carga puede ser bastante baja. Por ejemplo, un perno Split Set convencional sólo puede soportar una carga de aproximadamente 50 kN (Stillborg, 1994).

De entre todas las alternativas de los pernos para roca comerciales actualmente disponibles, el perno más adecuado para combatir los problemas de deformación y derrumbe de la roca puede ser el denominado perno de cono sudafricano (Li y Marklund, 2004). El perno de cono puede alargarse bastante y al mismo tiempo soporta una carga bastante alta. Sin embargo, es un perno de dos puntos de anclaje con un cono invertido en el extremo interno de un perno por lo demás liso para su instalación en un orificio lleno de cemento. El anclaje de superficie puede ser una placa sujeta por una tuerca en el extremo exterior roscado del perno. Un fallo de uno de los anclajes, por ejemplo en la superficie de pared, conduciría a una pérdida completa de su función de refuerzo de la roca.

Respecto al refuerzo de rocas en masas rocosas con mucha tensión, las desventajas de los pernos actualmente disponibles son:

-: los pernos de refuerzo son demasiado rígidos y toleran un alargamiento muy limitado (aproximadamente 10 mm) antes de fallar.

-: Los pernos de fricción proporcionan una capacidad de soporte de carga demasiado baja.

-: Los pernos de cono no son suficientemente fiables debido a su mecanismo de dos puntos de anclaje.

Patrones de carga de pernos en diferentes masas rocosas

En rocas débiles, un gran volumen de roca alrededor de una abertura subterránea se someterá a fallo en el caso de altas tensiones in situ. La magnitud de la deformación de la roca es máxima en la superficie de pared de la abertura y disminuye hacia el interior de la masa rocosa. Este tipo de deformación de la roca da como resultado que los pernos para roca se carguen mucho más en el área cerca de la superficie de pared (Sun, 1984; Li y Stillborg, 1999). Esto explica por qué muchos pernos de refuerzo fallan en la rosca en masas rocosas bastante deformadas (Li, 2006a). A veces, incluso una gran fractura por esfuerzo cortante puede desarrollarse varios metros por detrás de la superficie de pared (Li, 2006b). En este caso, se demanda que los pernos presenten también la capacidad de soportar la carga y deformación en ubicaciones profundas.

En una masa rocosa unida, se carga de manera local un perno en las ubicaciones en las que el perno interseca las uniones de roca que van a abrirse (Björnfot y Stephansson, 1984). Pueden existir varios picos de carga a lo largo de la longitud de un perno y la sección más cargada del perno puede situarse profundamente dentro de la roca. En este tipo de masa rocosa, se demanda que el perno presente una buena capacidad de soporte de carga y también una alta capacidad de soporte de deformación a lo largo de toda su longitud.

Características deseadas para un perno ideal

Un perno ideal para masa rocosa bastante deformada debe poder soportar una gran carga así como poder adoptar un buen alargamiento. Además, el mecanismo de anclaje del perno debe ser fiable.

Breve sumario de la invención

Los problemas anteriores pueden resolverse mediante la presente invención que es un perno para roca para su enlechado en un barreno en una roca, estando caracterizado dicho perno para roca porque presenta:

-: un alma maciza cilíndrica alargada con una parte roscada en la parte de superficie de barreno de dicha alma, estando dotada dicha parte roscada de una o más tuercas y una o más arandelas, poleas o placas frontales dispuestas para pretensar el perno para roca en el barreno;

-: comprendiendo dicha alma tres o más longitudes extensas de partes de alma, estando seguida cada parte de alma por un anclaje integrado, siendo dichos anclajes de corta extensión en comparación con la extensión de dichas partes de alma, estando distribuidos dichos anclajes con separaciones a lo largo de la longitud de dicha alma;

-: siendo dichos anclajes para anclarse localmente con relación a sus partes de pared de barreno local correspondientes para absorber la carga que se produce debido a la deformación de la roca,

-: estando dispuestas dichas partes de alma para deslizarse con relación a la lechada o el barreno, para que cada una de dichas almas limite la deformación local de la roca mediante el alargamiento de dichas partes de alma entre pares de un anclaje anterior anclado localmente y un anclaje posterior anclado localmente.

Ventajas de la invención

La presente invención presenta determinadas ventajas respecto al documento WO99/61749 porque los anclajes de la presente invención no constituyen los elementos más débiles sino los más fuertes del perno para roca de modo que no son susceptibles de deformación o ruptura con carga, y por tanto pueden proporcionar un efecto de anclaje satisfactorio.

La presente invención también proporciona ventajas sobre la solicitud de patente US 2005/0158127A1 por el hecho de que el elemento de tensión se adapta para formar anclajes reforzados en comparación con las partes rectas del alma de perno para roca, y por tanto el perno es susceptible de ceder a lo largo de las partes de alma y no en los anclajes. Otra ventaja sobre el documento US2005/0158127 es la reducción significativa de los componentes (por lo menos 6 componentes) requeridos para formar un perno para roca funcional, en la forma de realización más simple formado por un alma de acero alargada con anclajes integrados formados del mismo material en bruto.

Descripción de los dibujos

Se ha ilustrado la invención en los dibujos adjuntos, que pretenden ilustrar la invención y que no deben interpretarse como que limitan la invención, que sólo se limitará por las reivindicaciones adjuntas solamente.

La figura 1 es una vista en alzado lateral de un perno para roca según la invención, en este caso ilustrado en una forma de realización básica que comprende sólo un alma con partes de anclaje integradas distribuidas de manera uniforme para su anclaje al cemento o resina cuando se endurecen en un barreno.

La figura 2 es una vista en alzado lateral de un perno para roca según la invención, en este caso ilustrado dispuesto en una sección de un barreno con las partes de anclaje integradas ancladas mediante lechada endurecida a cemento o alternativamente resina. Para simplificar, se ilustra sólo la lechada adyacente a los anclajes. Se ilustra una parte de alma que abarca una grieta que se ha abierto entre dos bloques de la roca, y la parte de alma se ha extendido mientras que los anclajes adyacentes permanecen fijas con relación a sus perímetros de barreno local.

La figura 3 es una vista en alzado lateral de un perno para roca según una realización de la invención, en este caso ilustrado con un parte roscada con una arandela y/o placa frontal y una tuerca en el lado izquierdo del dibujo, e ilustrado además con una mezcladora de extremo opcional en el lado derecho del dibujo.

La figura 4 es una vista en alzado lateral de un perno para roca según una realización de la invención, en este caso dispuesto enlechado entre el fondo del orificio y una arandela en la superficie de la roca. Sólo se ilustran las partes de la lechada alrededor de los anclajes, para simplificar, y todo el anillo alrededor del perno se llenaría habitualmente con lechada.

Las figuras 5a, b, c, d y e ilustran diferentes formas de realización de los anclajes según la invención. La figura 5a, ilustra una realización del anclaje en la que una pequeña parte del alma se ha aplanado para proporcionar un anclaje integrado ampliado. El aplanamiento puede tener lugar con un recalcado simultáneo longitudinal ligero para proporcionar un límite elástico de dichos anclajes superior al límite elástico de las partes de alma adyacentes. La figura 5b ilustra otra forma de realización del anclaje en la que se ha acortado una parte pequeña del alma mediante recalcado longitudinal. La figura 5c es una ilustración de un anclaje de tres salientes que muestra una determinada sección decreciente en la zona de transición hacia cada extremo. La figura 5d ilustra un perno para roca según la invención que presenta anclajes con una abertura en forma de ojo. La figura 5e ilustra una forma de realización de un anclaje conformado mediante recalcado similar al recalcado de la figura 5b.

La figura 6 muestra dos formas alternativas de mezcladoras de extremo de la técnica anterior que pueden disponerse opcionalmente en el extremo de barreno del perno para roca de la invención. La figura 6a muestra una mezcladora de extremo en Y y la figura 6b muestra una placa mezcladora de extremo soldada al extremo de barreno de la barra.

La figura 7 ilustra que mientras que la parte principal de la deformación debe absorberse al alargar la parte de alma entre los anclajes, una proporción de la deformación también puede absorberse como un movimiento de deslizamiento longitudinal relativamente corto de un anclaje en la lechada endurecida.

La figura 8 es una vista isométrica que se ha vuelto a trazar del documento WO99/61749 de Ferguson que muestra indentaciones que forman secciones de paleta formadas mediante la deformación de una parte de una barra de acero, realizándose la deformación mediante la aplicación de una fuerza de corte excéntrica mecánica sobre la barra.

La figura 9 es una vista en sección longitudinal que se ha vuelto a trazar del documento US2005/0158127, también de Ferguson, que muestra un elemento de tensión o hilos de tensión en un tubo deformado mediante un anclaje de fijación de dos partes.

La figura 10 muestra dos formas de realización de mezcladoras de extremo.

Descripción de formas de realización de la invención

El perno para roca según la invención se aproxima a un perno que proporciona las cualidades requeridas de un perno ideal mencionado anteriormente. Se le da el nombre de un perno deformable, abreviado como "perno D". El perno deformable según la invención es un perno de anclaje de puntos múltiples dispuesto para enlecharse con o bien cemento o bien resina epoxídica en un barreno. La figura 1 muestra la vista en alzado lateral del perno según una realización básica de la invención, que comprende un alma de varilla de acero preferiblemente lisa (1) con tres o más anclajes integrados (2a, 2b, 2c,..., 2n) distribuidos a lo largo de la longitud del alma de varilla. Dicho de otro modo, la invención comprende un perno para roca para enlecharse mediante lechada (g) en un barreno (b), comprendiendo el perno para roca un alma maciza cilíndrica alargada (1) que comprende longitudes extensas de partes de alma (1s) separadas por anclajes integrados (2) distribuidos con separaciones (L_{a}) a lo largo de la longitud de dicha alma (1). Los anclajes (2a) se disponen para su anclaje local con relación a sus partes de pared de barreno local para absorber la carga que se produce por la deformación de la roca. Las partes de alma (1s) se disponen para deslizarse con relación a la lechada o el barreno, para que cada una de dichas almas (1s) absorba la deformación de alargamiento local entre pares de un anclaje anterior anclado localmente (2) y un anclaje posterior anclado localmente (2).

El perno para roca de la invención que comprende el alma (1) con unos anclajes integrados (2) se fabrica completamente de manera ventajosa de acero. Pueden utilizarse otros metales que sean tanto fuertes como deformables.

Según una primera aplicación del perno para roca según la invención, las partes de alma (1s) se adaptan para absorber la deformación de alargamiento local debida a la deformación de la roca a largo plazo que puede tener lugar durante días, meses o años después de la excavación tal como se produciría en rocas débiles y lisas.

Según una segunda aplicación del perno para roca según la invención, las partes de alma (1s) pueden absorber cargas dinámicas a corto plazo tales como cargas dinámicas debidas a explosiones o derrumbes de rocas. Esto se debe al hecho de que un alargamiento local del perno para roca debido a una repentina grieta por derrumbe indicada por "c" en las figuras 2 y 4, que se abre para separar las superficies de grieta desunidas varios centímetros, puede distribuirse por aproximadamente 50 cm de acero si se utiliza un perno para roca según la invención. Las partes de alma entre los anclajes solamente se deslizarán con relación a la lechada endurecida o el perímetro de barreno. Este efecto no puede lograrse utilizando un perno para roca de refuerzo del que cada parte está acanalada y por tanto se adhiere localmente casi sobre cada sección de alma en la lechada, y que puede forzarse para absorber un alargamiento de impacto local (\DeltaL_{a}) solamente sobre unos pocos centímetros, y por tanto romperse, lo que con frecuencia se experimenta en la técnica anterior. De esta manera, también pueden absorberse las cargas dinámicas similares a los derrumbes de roca, tales como explosiones, sin que el perno para roca se rompa.

En una forma de realización de la invención, el perno debe comprender una parte roscada (3a) dispuesta en el extremo de cabeza y proporcionada por una tuerca (3b) para la sujeción de una arandela (3c) o una placa contra la superficie de una roca. Según una forma de realización, el extremo opuesto para la constitución del extremo interno del perno para roca con respecto al barreno puede proporcionarse con una mezcladora (4) de extremo que será útil cuando se inserte el perno para roca en resina epoxídica.

La separación entre dos anclajes adyacentes se denomina en este caso L_{a} y puede ser liso. La longitud de un perno, es por tanto, en una forma de realización aproximadamente L = n L_{a}, siendo n el número de segmentos de varilla entre anclajes (o el número de anclajes). También puede utilizarse una distribución no uniforme de anclajes a lo largo de una parte del alma.

De manera ventajosa, en el perno para roca de la invención, se disponen las partes de alma (1s) para presentar una capacidad de deformación superior por unidad de longitud en comparación con los anclajes (2). Además, en el perno para roca de la invención, los anclajes integrados (2) pueden endurecerse de manera ventajosa para evitar su deformación mientras se cargan, mientras se fijan en la lechada endurecida, y para evitar su desgaste si se deslizan en la lechada endurecida. Dicho de otro modo, la resistencia final de los anclajes (2) debe ser superior al límite elástico del alma constituida por las partes de alma (1, 1s).

Las partes de alma (1s) se disponen para deslizarse con relación a la lechada endurecida o el barreno, para que cada una de dichas almas (1s) absorba la deformación de alargamiento local entre pares de un anclaje anterior anclado localmente (2) y un anclaje posterior anclado localmente (2). El alma de varilla (1) del perno presenta, según una realización de la invención, una superficie lisa, preferiblemente cilíndrica. Las partes de alma pueden pulirse o molerse de manera más o menos fina mediante técnicas como el pulido químico o electropulido. La superficie puede tratarse adicionalmente de tal manera que la superficie de la varilla no presente una unión a la lechada endurecida o presente una baja de manera insignificante. Un medio para alcanzar este objetivo es recubrir la superficie de varilla con una capa delgada de cera, laca, pintura u otro medio no adhesivo o lubricante. Cuando se someten a carga de tracción, los segmentos de varilla entre dos anclajes adyacentes se alargan más o menos libremente sin acoplarse alrededor de la lechada endurecida.

Cuando se alarga bajo deformación, el alma (1) puede deslizarse con relación a su perímetro de barreno local presentando una superficie liberada con relación a dicha lechada endurecida debido a la reducción de diámetro por el denominado efecto Poisson.

El perno para roca según la invención puede presentar las partes de alma (1s) con tratamiento de superficie para no unirse con dicha lechada endurecida. Esto puede lograrse a través del tratamiento químico de la superficie tal como añadiendo una capa de óxido de metal sobre el alma (1).

En los puntos de anclaje, el perno se acopla a la masa rocosa. Una demanda básica para los anclajes es que sean más fuertes que la varilla. Esto implica que la varilla ceda antes de que fallen los anclajes. Los anclajes pueden presentar diferentes formas. La forma del anclaje mostrado en la figura 1 muestra sólo una de diversas formas útiles de los anclajes. Con la forma de realización mostrada, el anclaje se forma simplemente por el aplanamiento de la varilla en una dirección de diámetro y la ampliación de la dimensión en la dirección ortogonal. Los anclajes adyacentes pueden presentar la misma forma aplanada realizada de manera ortogonal a la dirección del aplanamiento del presente anclaje. Ventajosamente, dado que el barreno es más o menos recto y que presenta una pared uniforme, los anclajes separados de manera uniforme pueden hacer que la varilla de acero evite el contacto directo con la pared del barreno, lo que puede ayudar a que el perno se envuelva totalmente por la lechada. Esto puede proporcionar una protección mejorada frente a la corrosión del alma de perno en comparación con pernos convencionales que solamente presentan un anclaje de fondo y un anclaje de superficie.

Se conoce en la técnica anterior que para el enlechado con resina, puede añadirse al extremo inferior del perno un mecanismo de mezclado, denominado mezcladora de extremo, véase la figura 6. Una alternativa para la mezcladora de extremo es dividir el extremo de varilla en una forma de "Y", diríjase a la figura 6a. Otras alternativas, tales como una cuchilla soldada al extremo, véase la figura 6b, también son posibles para la mezcladora de extremo. La figura 10 mues-
tra dos formas de realización de mezcladoras de extremo útiles para su utilización en barrenos con resina epoxídica.

Un perno para roca según la invención puede reforzar la roca de una manera tal como se explica a continuación: la deformación de la roca cargará principalmente el perno según la invención mediante los anclajes. La varilla, es decir, las partes de alma del perno entre dos anclajes adyacentes, a su vez, se estirará y alargará. Bajo cargas extremadamente altas, la varilla cederá. En algunos casos, por ejemplo, una lechada relativamente débil, los anclajes podrían incluso deslizarse un poco dentro de la lechada sin una pérdida significativa de refuerzo. Debido a estos dos mecanismos, el perno puede tolerar un gran alargamiento, mientras que al mismo tiempo soporta una carga elevada. De hecho, este perno según la invención utiliza en gran medida la capacidad del material de acero tanto en su capacidad de deformación como de resistencia. El efecto de anclaje de roca del perno está asegurado en los segmentos entre los anclajes. Una pérdida de anclaje en un anclaje individual solamente afecta localmente al efecto de refuerzo del perno. En conjunto, el perno todavía trabajaría bien con una pérdida de uno o más anclajes individuales, siempre que se fijen uno o más anclajes en el barreno. Supóngase, por ejemplo, que la parte de rosca del perno según la invención falla y se pierde el anclaje a la superficie. Con los pernos con dos puntos de anclaje según la técnica anterior tal pérdida de anclaje a la superficie incurre en un fallo total del perno, mientras que el resultado de un fallo del anclaje a la superficie con el perno de la invención es una pérdida de refuerzo solamente en el segmento de perno entre la rosca y el primer anclaje que está más cerca de la superficie. El resto del perno no se ve afectado por el fallo del segmento de la superficie de la rosca porque sigue estando bien anclado en la roca mediante los anclajes restantes no afectados.

La rosca debe ser por lo menos tan fuerte como la varilla de acero o incluso más fuerte. Por tanto, el diámetro nominal de la rosca debe ser más grande que el diámetro de la varilla para que el diámetro eficaz de la rosca sea igual o más grande que el diámetro de la varilla. Otra forma de realización de la invención es llevar a cabo un tratamiento metalúrgico especial de la parte de rosca de tal manera que su resistencia se haga superior que la varilla. La capacidad de deformación de la rosca no es particularmente relevante. La cuestión principal acerca de la rosca es que la rosca se realice tan fuerte que la varilla de acero entre la rosca y el primer anclaje pueda ceder. De este modo, la deformación final antes del fallo de la varilla sería significativamente grande.

Un ejemplo de un perno para roca según la invención se presenta a continuación y se ilustra en la figura 3. Se supone que los parámetros del perno se dan como sigue.

1

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El perno del ejemplo presenta 5 segmentos de perno presentando cada segmento una longitud de (L_{s} - L_{a}) = 0,5 m. Teniendo en cuenta el alargamiento de deformación, cada segmento puede extenderse hasta (0,5 m x 20%) = 10 cm. Por tanto, cada segmento de varilla (0,5 m de largo) puede soportar un alargamiento máximo de 10 cm. Al mismo tiempo soporta una carga de entre 150 y 200 KN. El primer segmento de la varilla (desde la rosca hasta el primer anclaje) puede ser un poco más corto que los otros. En la forma de realización ejemplificativa, es aproximadamente 0,4 m (L_{s} - L_{a} - L_{t})). El alargamiento final de este segmento es (0,4 m x 20%) = 8 cm. Para los pernos de refuerzo, solamente se motiva la capacidad de deformación de la parte de la rosca (Li, 2006a). El alargamiento final de la parte tensada de la rosca se estima de 1 cm como máximo. Con una rosca más fuerte, el alargamiento final del perno D en la superficie de pared (8 cm) se mejoraría significativamente en comparación con los pernos de refuerzo roscados de manera convencional. Con tal capacidad de deformación/carga, el perno puede proporcionar un efecto satisfactorio de refuerzo de roca en masas rocosas muy deformadas o propensas al derrumbe de la roca.

El perno según la invención presenta más de tres anclajes con una longitud comprendida entre 0,03 m y 0,02 m, estando separado cada par de anclajes por segmentos que pueden variar de manera correspondiente en su longitud entre aproximadamente 0,3 m y 2 m de longitud, dependiendo de las condiciones de la roca y el espesor del alma. La relación de la longitud de las partes de alma a la longitud de los anclajes puede variar entre 5 a 1 y 40 a 1. El diámetro del alma del perno para roca puede estar entre 10 mm y 40 mm o más.

El perno para roca según la invención es característico de una alta capacidad tanto en soporte de carga como deformación. Además, la calidad de la instalación del perno es fiable debido a su mecanismo de anclaje en puntos múltiples. El perno es particularmente adecuado para la ingeniería civil y de minas que se encuentra con el problema de la gran deformación de rocas o el derrumbe de rocas. El perno puede proporcionar un buen refuerzo no sólo en el caso de una deformación continua de la roca (en masas rocosas lisas y débiles), sino también en el caso de la apertura local de uniones de rocas individuales (en masas rocosas en bloque). El desplazamiento de la apertura de una unión de roca única se limitará por los dos anclajes que pasan por encima de la unión.

Los anclajes pueden formarse de varias maneras para proporcionar diferentes formas: las figuras 5a, b, c, d y e ilustran realizaciones de los anclajes según la invención. La figura 5a ilustra una forma de realización del anclaje en el que una parte pequeña del alma se ha aplanado para proporcionar un anclaje ampliado, integrada que presenta dos salientes en su sección transversal y que presenta una sección decreciente hacia cada transición a las partes de alma. El aplanamiento puede tener lugar bajo el recalcado simultáneo longitudinal ligero para proporcionar un límite elástico de dichas anclajes superior al límite elástico de las partes de alma adyacentes. La figura 5b ilustra una forma de realización del anclaje en el que una parte pequeña del alma se ha acortado mediante el recalcado longitudinal. La figura 5c es una ilustración de un anclaje con tres salientes que muestra un determinada sección decreciente en la zona de transición hacia cada extremo. La figura 5d ilustra un perno para roca según la invención que presenta anclajes con una apertura en forma de ojo. La zona de sección transversal de material del anclaje sobre la apertura, perpendicular al eje del perno para roca, es por lo menos tan grande como para el alma. La figura 5e ilustra una realización de un anclaje formado con dos extremos separados por un cuello que presenta por lo menos el espesor del alma de varilla. El recalcado es
similar al recalcado de la figura 5b. En esta forma de realización el anclaje puede formarse además con tres salientes.

La invención proporciona un perno para roca con múltiples partes rectas de alma cada una seguida por un anclaje corto. Esto proporciona anclajes cortos, relativamente rígidos y una alta proporción de longitudes de alma con una alta capacidad de deformación. Por tanto, el perno para roca se unirá firmemente a una multiplicidad de ubicaciones de pared de barreno separadas a lo largo de la varilla y limitará la deformación de la roca. La característica de pretensión puede prevenir o retardar la formación de grietas iniciales y también puede proporcionar una limitación más temprana del manto de la roca. El perno para roca según la invención será útil para la limitación de la deformación de la roca tanto debido a la deformación a largo plazo como al derrumbe de rocas.

Referencias

Björnfot F. and Stephansson O. 1984. Mechanics of grouted rock bolts - field testing in hard rock mining. Report BeFo 53:1/84, Swedish Rock Engineering Research Foundation.

Li, C.C. 2006a. A practical problem with threaded rebar bolts in reinforcing largely deformed rock masses. Rock Mech Rock Engng. ISSN 0723-2632. (in press) Available online

Li, C.C. 2006b. Rock support design based on the concept of pressure arch. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 43(7), 1083-1090.

Li, C.C. and Marklund, P.-I. 2004. Field tests of the cone bolt in the Boliden mines. Bergmekanikkdagen 2004, Oslo, 35.1-12. ISBN 82 91341 85 0.

Li, C. and Stillborg, B. 1999. Analytical models for rock bolts. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 36(8), 1013-1029. ISSN 1365-1609.

Stillborg B., Professional Users Handbook for Rock Bolting. Trans Tech Publications (2ª edición) (1994).

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Claims

1. Perno para roca para su enlechado en un barreno en una roca, estando caracterizado dicho perno para roca porque presenta

-: un alma maciza cilíndrica alargada (1) con una parte roscada (3a) en la parte de superficie de barreno de dicha alma (1), estando provista dicha parte roscada (3a) de una o más tuercas (3b) y de una o más arandelas, poleas o placas (3c) frontales dispuestas para pretensar el perno para roca en el barreno;

-: comprendiendo dicha alma (1) tres o más longitudes extensas de partes de alma (1s), estando seguida cada parte de alma por un anclaje integrado (2a, 2b, 2c, ...), siendo dichos anclajes (2a, 2b, 2c, ...) de extensión corta en comparación con la extensión de dichas partes de alma (1s), estando distribuidos dichos anclajes (2a, 2b, 2c, ...) con unas separaciones (L_{a}) a lo largo de la longitud de dicha alma (1);

-: estando destinados dichos anclajes (2a, 2b, 2c, ...) para anclarse localmente con relación a sus partes de pared de barreno local correspondientes para absorber la carga que se produce debido a la deformación de la roca,

-: estando dispuestas dichas partes de alma (1s) para deslizarse con relación a la lechada o el barreno, para que cada una de dichas almas (1s) limite la deformación local de la roca mediante el alargamiento de dichas partes de alma entre pares de un anclaje anterior anclado localmente (2a, 2b,...) y un anclaje posterior anclado localmente (2b, 2c, ...).

2. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que la relación de una longitud de dichas partes de alma (1s) con respecto a una longitud de dichos anclajes está comprendida entre 5 a 1 y 40 a 1.

3. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dicha separación del anclaje es de aproximadamente 0,55 m, dicha longitud del anclaje es de aproximadamente 0,05 m.

4. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dichas separaciones (L_{a}) de dichos anclajes (2) son de la misma longitud.

5. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dicha alma (1) con unos anclajes integrados (2) está realizada en acero.

6. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dichas partes de alma (1s) están dispuestas para presentar una capacidad de deformación superior por unidad de longitud en comparación con dichos anclajes (2).

7. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dichos anclajes integrados (2) están endurecidos.

8. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que un primer límite elástico de dichos anclajes (2) es superior a un segundo límite elástico de dichas partes de alma (1s).

9. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dichas partes de alma (1s) presentan una superficie lisa para el deslizamiento con relación a la lechada o al perímetro de pared de barreno local.

10. Perno para roca según la reivindicación 9, en el que dicho perno está pulido mecánicamente o está electropulido.

11. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dichas partes de alma (1s) están provistas de una capa (6) deslizante.

12. Perno para roca según la reivindicación 11, en el que dicha capa (6) deslizante es cera o pintura.

13. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dicha alma (1s) está tratada en superficie para no unirse a dicha lechada endurecida.

14. Perno para roca según la reivindicación 13, en el que dicha alma (1) presenta un tratamiento químico de superficie mediante la adición de una capa de óxido de metal sobre dicha alma (1).

15. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dichos anclajes (2) presentan una sección decreciente para la disipación de energía mediante el desplazamiento y la deformación de la lechada adyacente cuando está muy cargada.

16. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que dichas roscas (3a) presentan un diámetro eficaz igual o superior a un diámetro eficaz de dicha alma (1).

17. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que la parte roscada (3a) está endurecida.

18. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que una parte de extremo de orificio de fondo de dicha alma (1) está provista de una mezcladora (4) de extremo.

19. Perno para roca según la reivindicación 18, en el que dicha mezcladora (4) de extremo está constituida por un anclaje (2).

20. Perno para roca según la reivindicación 1, en el que la relación de una longitud de dichas partes de alma (1s) con respecto a una longitud de dichos anclajes está comprendida entre 10 y 1.