WO2019231310A1 - Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje - Google Patents

Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje Download PDF

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rock
anchor bolt
rock support
dome
support
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Inventor
Martha Cecilia FUENTES OCHOA
Carlos LUNA GUTIERREZ
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Fuentes Ochoa Martha Cecilia
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    • F16B43/00—Washers or equivalent devices; Other devices for supporting bolt-heads or nuts

Definitions

  • the present invention pertains to the field of mining, civil and structural engineering, specifically to tools or devices that are very useful for supporting rock within the underground tunnels, which They are manufactured for the extraction of minerals.
  • rock shedding we refer to the fact that happens when inside an underground work, rock falls from the roof structure or shoulders of the tunnels and falls freely, either small or large, and can cause accidents such as : damage to machinery, injuries or death of people in that area. If there is a serious accident or not, the same rock detachment delays the work, since time, effort and money will have to be invested in certain circumstances to remove the detached rock.
  • the main object of the invention is to provide a structure for rock support in conjunction with an anchor bolt that significantly reduces the risk of rock shedding within this type of works. Therefore, the rock is reinforced by installing brackets with anchor bolts inside the roof, shoulders and walls of the underground tunnels.
  • the rock reinforcement basically consists of the installation of longitudinal structures commonly manufactured from a corrugated rod section to which a support stop is added at one end, also known as an anchor plate.
  • the bolt is installed inside the rock and only the end with the support stop is outside the rock, a rock support structure is preferably added between the stop of the anchor bolt and the rock, responsible for increasing the area on which the rock rests on the bolt, since if the area is very small there is a risk that the rock will fracture and the bolt will be ineffective.
  • the bolts reduce the knocking against the rock when the bolt stop makes contact with the rock since among them is the dome of the "Structure for the rock support in conjunction with an anchor bolt” that is designed for the pressure to push and bend the top of the dome towards the bottom in a small proportion and make contact with the rock.
  • the fold of the “Structure for the rock support in conjunction with an anchor bolt” is presented, it is damped and withstands a higher pressure for a period of time according to the deformation, thereby avoiding damage or aggravation of the damage suffered by the rock at the time of the excavation of the underground tunnels.
  • the "Structure for the rock support in conjunction with an anchor bolt" of the present specification is a square plate, having in each of its corners at least a small convex dome, and a concave or dome is formed at the center in the opposite direction to the small domes of each corner, where in the center of the central dome there is a hole (perforation) and at the end of the plate that faces the hole is a fold in the form of letter C.
  • the bolt of Anchoring of the invention has a preferably curved or spherical base, which makes contact with the central dome of the square plate.
  • the weight of the rock causes the dome of the rock support structure together with an anchor bolt to begin modifying its structure until the dome takes toroid shape, which works as a predictive method with which it is possible to detect a movement in the rock and take preventive actions in the face of the increased risk of a landslide.
  • Figure 1 and 2. Isometric views of the rock support structure, the lower part being prominent.
  • Figure 3 and 4. Isometric views of the structure for the rock support, the upper part being prominent.
  • Figure 5. Top view of the structure for the rock support.
  • Figure 6. Cross-sectional view of the center of the rock support structure.
  • Figure 7 Cross-sectional view at the height of two adjacent small convex domes of the rock support structure.
  • Figure 8. Cross-sectional view of the center of the rock support structure, deformed by the toroid-shaped pressure.
  • Figure 9. Isometric view with cross section to the center of the rock support structure, deformed by pressure.
  • Figure 10. Cross-sectional view of the center of the rock support structure in conjunction with an anchor bolt, deformed by pressure. Dotted lines represent the rock where the anchor bolt is inserted.
  • Figure 1 1. Comparative graph between: a structure for the “conventional” dome rock support and the structure of our invention. Pressure graph against deformation.
  • the structure for the rock support (as shown in the Figures) is used as a complement in rock reinforcement, as a complementary part of the commercial anchor bolts, whose function of the structure for the rock support is to increase the area of support, cushioning the impact of the bolt head against the rock at the time of its installation and operation.
  • the invention lies mainly in a structural technical improvement of the rock support structure, in conjunction with an anchor bolt.
  • the structure for the rock support is configured as follows: a plate (1), preferably of square-shaped steel, to which at least a small convex dome (2) is added for support near each corner (see Figures 1 to 7); a dome (3) to the center of the plate (1), larger, and in a concave direction or contrary to the direction in which the small domes (2) are manufactured, where in the center of the central dome (3) makes a bore (5) of varying diameter according to the caliber of the bolt (7) used (see Figures 1 to 7, and Figure 10); and a fold (4) made in the circumference of the hole (5) on the letter-shaped metal "C" towards the end of the dome (3) in such a way that a neck is formed (see Figures 1 to 7).
  • Said fold (4) helps not tear the metal at the time of installation of the structure when there is oscillation and percussion when the bolt inserts the bolt (7) through the hole (5). And it also allows a better damping against the pressure exerted by the rock (8), and increases the time elapsed to reach total fracture of the piece. The damping is also benefited by the domes (2) small convexes of each corner, compared to other configurations of the plate (1), which decreases the upward deformation in those areas (see Figure 9).
  • Figure 9 is a real representation of the deformation of the rock support structure, after pressure has been applied; it is possible to appreciate the central dome (3) and the fold (4) of the central dome in the form of “C”, deformed in the shape of a toroid, and the corners of the plate (1) in a good state.
  • the shaped neck is shaped like a hook towards the center once the weight of the rock bends it towards the base of the piece ( Figure 8 and 9) and the dome (3) takes a similar toroid shape (central part of Figure 9), at the same time that the neck takes the form of a hook.
  • the type C (4) form resists pressure first, then begins to sink and the next deformation phase enters.
  • the steel plate could be manufactured with some other type of material if it is considered necessary, be it a metallic, plastic, ceramic, composite material, among others.
  • the anchor bolt (see Figure 10), has a head with base (6) preferably curved or spherical, otherwise our invention would not work, it would not have the same advantages, since the pressure would be down and not towards the whole area of the same base (6) curve.
  • the corrugated rod (7) is the one inside the rock (8) of the underground tunnels, and is reinforced with concrete for placement. However, as regards the improvements of the invention, these lie mainly in the pressure supported by the rock of the underground tunnels (see graph of Figure 1 1). When explosions are carried out near the places where each of the rock support structures is installed together with an anchor bolt, it is when they are really tested as the pressure generated increases in this type of situation. Our invention considerably increases the number of tons supported or pressure supported when there are events of this type.

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Abstract

La invención radica principalmente en una mejora técnica estructural de la estructura para el soporte de roca, en conjunto con un perno de anclaje. La estructura para el soporte de roca está configurada de la siguiente manera: una placa (1), preferentemente de acero en forma cuadrada, a la cual se le agrega al menos un pequeño domo (2) convexo para apoyo cerca de cada esquina (ver Figuras 1 a 7); un domo (3) al centro de la placa, de mayor tamaño, y en dirección cóncava o contraria a la dirección en la que se fabrican los domos (2) pequeños, donde en el centro del domo (1) central se hace un barreno (5) de diámetro variable según el calibre del perno (7) utilizado (ver Figuras 1 a 7, y Figura 10); y un doblez (4) realizado en la circunferencia del barreno (5) sobre el metal en forma de letra "C" hacia el extremo del domo (3) de tal manera que se forme un gollete (ver Figuras 1 a 7). El perno de anclaje tiene una base (6) preferentemente curva o esférica.

Description

ESTRUCTURA PARA EL SOPORTE DE ROCA EN CONJUNTO CON UN PERNO DE ANCLAJE
CAMPO DE LA INVENCIÓN.
Tal como se expresa en el título de esta memoria descriptiva, la presente invención pertenece al campo de la minería, ingeniería civil y estructural, específicamente a herramientas o aparatos que son de gran utilidad para el soporte de roca dentro de los túneles subterráneos, mismos que son fabricados para la extracción de minerales.
OBJETIVO DE LA INVENCIÓN.
Dentro de los túneles subterráneos existe el riesgo de que se presente un desprendimiento de roca por el debilitamiento que sufre la roca al momento de la excavación. Cuando hablamos de desprendimiento de roca, nos referimos al hecho que pasa cuando dentro de una obra subterránea se desprende roca de la estructura del techo u hombros de los túneles y cae libremente, ya sea de tamaño pequeño o de gran tamaño, pudiendo ocasionar accidentes como: afectaciones a la maquinaria, lesiones o la muerte de personas que estén en esa área. Existiendo algún accidente grave o no, el mismo desprendimiento de roca retrasa los trabajos, ya que se tendrá que invertir tiempo, esfuerzo y dinero en ciertas circunstancias para remover la roca desprendida.
Conforme lo anterior, el principal objeto de la invención es proporcionar una estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje que reduzca de manera significativa el riesgo existente de desprendimiento de roca dentro de este tipo de obras. Por lo tanto, se refuerza la roca instalando soportes con pernos de anclaje dentro del techo, hombros y paredes de los túneles subterráneos.
El refuerzo de roca consiste básicamente en la instalación de estructuras longitudinales fabricadas comúnmente a partir de una sección de varilla corrugada a la que se le agrega un tope de apoyo en un extremo, también conocidos como placa de anclaje. El perno es instalado dentro de la roca y sólo el extremo con el tope para apoyo queda por fuera de la roca, entre el tope del perno de anclaje y la roca se agrega preferentemente una estructura para el apoyo de la roca, encargada de incrementar el área en la que se apoya la roca sobre el perno, ya que si el área es muy pequeña existe el riesgo de que la roca se fractura y el perno sea ineficaz.
Dentro de los objetivos de la presente invención radica la mejora de esta estructura que sirve de apoyo de la roca, encargada de incrementar el área en la que se apoya la roca sobre el perno. Teniendo una configuración y estructura que le brinda ventajas apreciables para su uso en comparación de otros productos utilizados con el mismo fin.
ANTECEDENTES
Se tienen registros de estructuras para el apoyo de roca similares a la que se describe en el presente documento sin embargo, ninguna de ellas cuenta con la cualidad de amortiguar el impactico de la perneadora contra la roca.
Se tiene el registro de la patente norteamericana con número de patente: 5,934,855, del año 1999, de los inventores: Helmut Osterle y Stefan Baumgartner, quienes desarrollaron una placa de forma semi rectangular la cual presenta canales a lo largo de su cuerpo y diferentes orificios, debido a la naturaleza de su forma no se puede realizar en materiales muy resistentes y esta estructura tiende a ser ineficaz a mediano o largo plazo. Ya que se intentó remplazar la dureza de la pieza agregándole calanes que en teoría la hacen más resistente, sin embargo este material de un calibre delgado es partido fácilmente por la presión entre el ancla y la roca., además de que no se disminuye el impacto que sufre la roca.
También tenemos la patente norteamericana número 7,284,933 del año 2007, que se caracterizaba porque se contaba con un borde de seguridad convexo rodeando la periferia de la placa de apoyo cuadrada, donde dicho borde de seguridad puede ser un borde enrollado, un borde en bucle, un borde doblado u otro borde comparable. Existen otras invenciones referentes al perno de anclaje propiamente y no al soporte de roca, es decir, principalmente a la varilla que penetra la roca. Tal es el caso de la publicación de patente internacional No. WO2015/089525A2 que describe una configuración novedosa para un perno de anclaje.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Al momento de instalar el perno minero junto con la estructura para incrementar el área de apoyo se produce un golpeteo por la naturaleza de la maquina perneadora que sirve para instalar los pernos, este impacto daña la estructura interna de la roca que puede estar propensa a cuarteamientos debido a la naturaleza de la excavación, esta situación provoca que se desprendan rocas de un tamaño mediano a pequeño del cielo, hombros y paredes de los túneles subterráneos.
Al utilizar la presente invención titulada“Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje” los pernos reducen el golpeteo contra la roca cuando el tope del perno hace contacto con la roca ya que entre ellos se encuentra el domo propio de la“Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje” que es diseñado para que la presión empuje y doble la cima del domo hacia la parte inferior en una pequeña proporción y haga contacto con la roca. En el momento en que se presenta el doblez de la “Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje”” se amortigua y soporta una presión mayor por tiempo conforme a la deformación, con lo que se evita dañar o agravar el daño que sufre la roca al momento de la excavación de los túneles subterráneos.
En ocasiones cuando ya se tiene instalado algún refuerzo de roca (ajeno a nuestra invención), la roca misma tiende a ceder ante su propio peso, con lo cual se vuelve ineficiente el refuerzo instalado y en el caso de que no se haga notoria esta situación, se da un derrumbe. Con la“Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje” se puede detectar esta situación y tomar acciones correctivas antes de que se pueda dar el derrumbe, ya que el peso de la roca provoca que el domo de la pieza tome una forma de toroide y las piezas que tomen esta forma se vuelven un método de aviso. La“Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje” de la presente memoria descriptiva es una placa cuadrada, teniendo en cada una de sus esquinas al menos un pequeño domo convexo, y al centro se le forma un domo cóncavo o en dirección contrario a los domos pequeños de cada esquina, donde en el centro del domo central se encuentra un barreno (perforación) y en el extremo de la placa que da hacia el barreno se encuentra un doblez en forma de letra C. El perno de anclaje de la invención tiene una base preferentemente curva o esférica, misma que hace contacto con el domo central de la placa cuadrada.
En el momento en que se instala la“Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje” y es empujada hacia la roca y llega al límite se comienza con un movimiento de amortiguamiento ya que el domo es doblado hacia el lado de la roca en una pequeña proporción por la fuerza y presión generadas (ya sea por una explosión, instalación de otras estructuras cercas del lugar, debilitamiento de la roca, etc.) gracias a la resistencia del material, este movimiento se hace de manera más lenta, lo que disminuye el impacto que sufre la roca y se incrementa la eficiencia del refuerzo de roca.
Después de que se ha realizado el sostenimiento de roca y la roca comienza a ceder, el peso de la roca provoca que el domo de la estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje comience modificar su estructura hasta que el domo toma forma de toroide, lo cual funciona como un método predictivo con el cual es posible detectar un movimiento en lo roca y tomar acciones preventivas ante el incremento del riesgo de un derrumbe.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS.
Figura 1 y 2.- Vistas isométricas de la estructura para el soporte de roca, siendo prominente la parte inferior.
Figura 3 y 4.- Vistas isométricas de la estructura para el soporte de roca, siendo prominente la parte superior.
Figura 5.- Vista superior de la estructura para el soporte de roca. Figura 6.- Vista de corte transversal al centro de la estructura para el soporte de roca.
Figura 7.- Vista de corte transversal a la altura de dos domos pequeños convexos contiguos, de la estructura para el soporte de roca.
Figura 8.- Vista de corte transversal al centro de la estructura para el soporte de roca, deformada por la presión con forma de toroide.
Figura 9.- Vista isométrica con corte transversal al centro de la estructura para el soporte de roca, deformada por la presión.
Figura 10.- Vista de corte transversal al centro de la estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje, deformada por la presión. Las líneas punteadas representan la roca en donde se inserta al perno de anclaje. Figura 1 1.- Gráfica comparativa entre: una estructura para el soporte de roca tipo domo “convencional’ y la estructura de nuestra invención. Gráfica de presión contra deformación.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La estructura para el soporte de roca (tal como se muestra en las Figuras) es utilizada como complemento en refuerzo de roca, como parte complementario de los pernos de anclaje comerciales, cuya función de la estructura para el soporte de roca es incrementar al área de apoyo, amortiguando el impacto de la cabeza del perno contra la roca en el momento de su instalación y funcionamiento.
La invención radica principalmente en una mejora técnica estructural de la estructura para el soporte de roca, en conjunto con un perno de anclaje. La estructura para el soporte de roca está configurada de la siguiente manera: una placa (1 ), preferentemente de acero en forma cuadrada, a la cual se le agrega al menos un pequeño domo (2) convexo para apoyo cerca de cada esquina (ver Figuras 1 a 7); un domo (3) al centro de la placa (1 ), de mayor tamaño, y en dirección cóncava o contraria a la dirección en la que se fabrican los domos (2) pequeños, donde en el centro del domo (3) central se hace un barreno (5) de diámetro variable según el calibre del perno (7) utilizado (ver Figuras 1 a 7, y Figura 10); y un doblez (4) realizado en la circunferencia del barreno (5) sobre el metal en forma de letra“C” hacia el extremo del domo (3) de tal manera que se forme un gollete (ver Figuras 1 a 7).
Dicho doblez (4) ayuda a que no se rasgue el metal al momento de la instalación de la estructura cuando se presenta oscilación y percusión cuando la pernadora inserta el perno (7) por el barreno (5). Y también permite un mejor amortiguamiento contra la presión ejercida por la roca (8), y aumenta el tiempo transcurrido para llegar a fractura total de la pieza. El amortiguamiento también se ve beneficiado por los domos (2) pequeños convexos de cada esquina, en comparación a otras configuraciones de la placa (1 ), lo que disminuye la deformación hacia arriba en esas zonas (ver Figura 9). La figura 9 es una representación real de la deformación de la estructura para el soporte de roca, después de haberle aplicado presión; se logra apreciar al domo (3) central y al doblez (4) del domo central en forma de“C”, deformados con forma de toroide, y las esquinas de la placa (1 ) en un buen estado.
El gollete que se forma tiene forma de gancho hacia el centro una vez que el peso de la roca lo dobla hacia la base de la pieza (Figura 8 y 9) y el domo (3) toma forma similar de toroide (parte central de Figura 9), al mismo tiempo que el gollete toma forma de gancho. Conforme llega el impacto, resiste primero la presión la forma tipo C (4), luego se empieza a hundir y entra la siguiente fase de deformación.
La placa de acero podría fabricarse con algún otro tipo de material si se considera necesario, ya sea un material metálico, plástico, cerámico, compuesto, entre otros.
El perno de anclaje (ver Figura 10), tiene una cabeza con base (6) preferentemente curva o esférica, de lo contrario no funcionaría nuestra invención, no tendría las mismas ventajas, ya que la presión sería hacia abajo y no hacia toda el área de la misma base (6) curva. La varilla (7) corrugada es la que está al interior de la roca (8) de los túneles subterráneos, y es reforzado con hormigón para su colocación. Ahora bien, en cuanto a las mejoras de la invención, estas radican principalmente en la presión soportada ejercida por la roca de los túneles subterráneos (ver gráfica de Figura 1 1 ). Cuando se realizan explosiones cercanas a los lugares donde está instalada cada una de las estructuras para soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje, es cuando realmente se ponen a prueba ya que la presión generada aumenta en este tipo de situaciones. Nuestra invención aumenta considerablemente el número de toneladas soportadas o presión soportada cuando existen eventos de este tipo. Como prueba de esto se adjunta una gráfica (Figura 1 1 ), donde de manera experimental se aplicaba presión generando un ambiente donde se cuantifica la presión contra deformación (a través del tiempo) de la estructura de nuestra invención y otra estructura tipo domo convencional. La invención de la presente memoria descriptiva soporta una presión mucho mayor en menor tiempo de deformación.
En la gráfica (Figura 1 1 ), se aprecia que nuestra invención llega al punto de fractura mucho después que la mostrada por la estructura “convencional”, además que en un inicio aumenta considerablemente la presión soportada por nuestra invención.
Estas ventajas se deben principalmente a la configuración técnica estructural de la estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje, que mejora a los productos del estado del arte, brindando un material con mayor resistencia, mejor diseño, mayor vida útil y por ende disminución de mano de obra y mantenimientos, permitiendo un ahorro considerable económicamente.
Fia de entenderse que las realizaciones aquí mostradas son meramente ilustrativas de las realizaciones preferentes actuales de la invención y que no hay limitaciones destinadas por los detalles de construcción o diseño en este documento. Quedan comprendidas las modificaciones que puedan resultar después de haber tomado en cuenta la presente memoria descriptiva, así como usos distintos que se puedan presentar a los aquí mencionados.

Claims

REIVINDICACIONES Habiendo descrito de manera suficiente y clara mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:
1. Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje, donde la estructura para el soporte de roca se destaca por ser un elemento del sostenimiento de roca, que al utilizarse se usa como complemento de un perno de anclaje para incrementar su área de apoyo. Se caracteriza porque la estructura para el soporte de roca está configurada de la siguiente manera:
una placa, preferentemente de acero en forma cuadrada, a la cual se le agrega al menos un pequeño domo convexo para apoyo cerca de cada esquina;
un domo al centro de la placa, de mayor tamaño, y en dirección cóncava o contraria a la dirección en la que se fabrican los domos pequeños, donde en el centro del domo central se hace un barreno de diámetro variable según el calibre del perno utilizado; y
un doblez realizado en la circunferencia del barreno sobre el metal en forma de letra“C” hacia el extremo del domo de tal manera que se forme un gollete.
2. Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje, que de acuerdo con la reivindicación 1 se caracteriza porque el perno de anclaje tiene una base preferentemente curva o esférica.
3. Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje, que de acuerdo con la reivindicación 1 se caracteriza porque la estructura para el soporte de roca es elaborada preferentemente en acero, sin embargo puede utilizarse algún otro tipo material compuesto, metálico, plástico, cerámico, entre otros.
4. Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje, que de acuerdo con la reivindicación 3 se caracteriza porque la estructura para el soporte de roca es preferentemente fabricada con forma cuadrada, aunque la invención no se limita a esta forma y se puede aplicar en cualquier forma que permita cumplir con la función de la misma.
PCT/MX2019/050011 2018-05-31 2019-05-28 Estructura para el soporte de roca en conjunto con un perno de anclaje WO2019231310A1 (es)

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