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SISTEMA PREVENTIVO DE DESPRENDIMIENTO DE ROCAS BASADO EN DETECCIÓN DE PUNTOS DEL MACIZO ROCOSO

Por: Ing. Miguel Ángel Aucapoma Najarro, Ingeniero Electrónico en iCRT; Ing. Pablo César Zevallos Zamudio, Ingeniero de Calidad en HLC Ingeniería y Construcción e Ing. Juan Francisco Mori Arellano, asesor independiente.


Resumen

El sistema preventivo de desprendimiento de rocas es un prototipo de un equipamiento instrumentado digital cuya función es monitorear la condición de los techos de los socavones para evitar que se produzcan accidentes por desprendimiento de rocas, generados por el debilitamiento de las estructuras que sostienen los techos de los socavones debido al corrimiento de las estructuras del macizo rocoso donde básicamente el sistema informa mediante la activación de alarmas pre-configuradas al interior de mina. El propósito de estas alarmas es prevenir y evacuar al personal de las zonas que detectan el desprendimiento de rocas.

El prototipo fue diseñado como una propuesta de solución tecnológica a la problemática de accidentes por desprendimiento de rocas en las operaciones mineras en Perú, las cuales sumaron 297 víctimas y representaron el 25% del total de accidentes mortales entre los años 2000 y 2018.

Introducción

Según estadística del Ministerio de Energía y Minas del Perú entre los años 2000 y 2018, han ocurrido 297 accidentes fatales por desprendimiento de rocas, con lo que se constituye en uno de los mayores riesgos en el minado subterráneo y, por esta razón, para que las operaciones mineras sean seguras es esencial que el personal de la mina inspeccione los túneles buscando problemas de inestabilidad de la masa rocosa (PIM), las cuales generan el desprendimiento de rocas (Snmpe, 2004).

La inspección de los túneles es de por sí una tarea importante para prevenir los desprendimientos de rocas pero se vuelve complejo por: i)la extensión de los túneles (como muestra la unidad minera Parcoy del Grupo Minero Horizonte, solo en su etapa inicial llegó a excavar 10,693 metros de túneles) y ii) las condiciones externas que incrementan la probabilidad de desprendimiento por: meteorización, filtraciones de agua, desplazamientos del macizo rocoso, vibraciones por explosión, vibraciones por paso de la flota vehicular, entre otros (Snmpe, 2004). Para tener un referente de la demanda de esfuerzos para la inspección de túneles, considerando uno de 11,000 m de extensión, el personal asignado se forma de tres técnicos y desarrolla un avance de 1m/min, lo que resulta en 33,000 minutos (tiempo= personalxdistancia/avance), de forma ininterrumpida y a dedicación exclusiva para culminar solamente un ciclo de inspección. 

Para simplificar el entendimiento del problema en la inspección de túneles se debe entender que en esta actividad se monitorea (i) la condición en forma instantánea, ii) la detección de los PIM depende de la velocidad de avance (tiempo=distancia/avance) de los inspectores que realizan esta actividad y iii) el tiempo para la detección de los PIM depende de la distancia del túnel a revisar (tiempo=distancia/avance). 

A partir de estas consideraciones se plantea los siguientes cambios: a) emplear monitoreo de condición en tiempo real; b) detectar los PIM sin intervención de personal y c) reducir el tiempo para realizar la inspección del túnel. Por lo tanto se plantea estas interrogantes: i) ¿De qué manera se podrá realizar monitoreo de condición en tiempo real de los túneles mineros? ii) ¿De qué manera se podrá detectar los PIM en los túneles mineros? y iii) ¿De qué manera se podrá reducir el tiempo de inspección de los túneles mineros? 

Finalmente, el tema central de este artículo se basa en mostrar el desarrollo de una innovación, sin entrar a detalles de cálculos ni de componentes, que emplea tecnologías de información y responde las interrogantes planteadas de manera práctica debido a que su diseño está orientado a la detección de PIM que provocan desprendimientos de rocas.

Objetivos

Objetivo general

ν Realizar el diseño del prototipo para monitoreo de condición en tiempo real de los túneles mineros.

Objetivos específicos

ν Detectar los PIM en los túneles mineros. 

ν Reducir el tiempo de inspección de los túneles mineros.

Marco Teórico

Accidente de trabajo en el sector minero

Según el Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería del Perú, se define accidente a todo suceso repentino que sobrevenga por causa o con ocasión del trabajo y que produzca en el trabajador una lesión orgánica, una perturbación funcional, una invalidez o la muerte. De forma complementaria el reglamento define al accidente mortal como el suceso cuyas lesiones producen la muerte del trabajador. Para efectos estadísticos debe considerarse la fecha del deceso.

Estadísticas de accidentes mortales en el sector minero

La estadística del Ministerio de Energía y Minas del Perú (Minem) muestra la cantidad de accidentes mortales entre los años 2000 y 2018, estos accidentes sumaron 1,000 víctimas.

Estadísticas de accidentes mortales por desprendimiento de rocas en el sector minero

La estadística del Minem entre los años 2000 y 2018 muestra la cantidad de accidentes mortales por desprendimiento de rocas, año a año, estos accidentes sumaron 297 víctimas, y su tendencia en el paso del tiempo ha sido a la baja.

Identificación de problemas de terreno para la excavación de túneles en minería subterránea 

Los factores que influyen en la robustez y estabilidad de los túneles subterráneos son variados, y en este artículo solo se consideran: la litología, intemperización y alteración; la estructura de la masa rocosa; los esfuerzos; el esquema y secuencia de avance del minado (Snmpe, 2004).

Influencia de la estructura de la masa rocosa 

La influencia de los rasgos estructurales geológicos sobre las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones, es de particular interés en términos de las operaciones mineras día a día. Se puede simplificar los siguientes tipos de rocas para el análisis como se muestra en las Figuras 3 a la 7.

Influencia de la estructura de la masa rocosa

Cuando se apertura un túnel o labor minera en la masa rocosa se rompe el campo de esfuerzos naturales y se induce un nuevo estado de esfuerzos en la roca circundante a la excavación, conforme avanza el minado los esfuerzos inducidos pueden concentrarse en ciertos lugares de las excavaciones y en otros pueden disiparse. En las áreas de concentración de esfuerzos se puede exceder la resistencia de la roca, generando problemas de inestabilidad en la masa rocosa de las excavaciones, significando potenciales desprendimientos de rocas.

Se puede simplificar a tipos de esfuerzos en función al tipo de rocas como se muestra en las Figuras 9 a la 13.

Influencia de la forma, tamaño y orientación de las excavaciones

La forma que adopte el contorno de una excavación, tendrá influencia favorable o desfavorable en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de dicha excavación. En general, las formas esquinadas representan condiciones desfavorables para la estabilidad, mientras que el “efecto arco” favorece a la estabilidad.

El tamaño de una excavación tiene que ser compatible con las condiciones geomecánicas de la masa rocosa. Cuando las condiciones geomecánicas no lo permiten y se trata de aumentar el tamaño de la excavación, se genera un peligro potencial, si es que no se adoptan medidas de control de la estabilidad de la masa rocosa.

La dirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgo estructural dominante de la masa rocosa. Aumentar la excavación en la dirección preferencial de avance, significará tener condiciones más ventajosas para evitar el desprendimiento (la estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas perpendicularmente a la excavación). 

En contraste, minar en la dirección de avance menos favorable debilitaría la robustez de los túneles (la estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas paralelas a la excavación), representando peligro de desprendimiento de rocas.

Corrección de los PIM

Es un conjunto de prácticas y procedimientos que permiten detectar el PIM al interior del túnel, para luego forzar su desprendimiento de manera controlada por aplicación de esfuerzos mediante el uso de herramientas (Snmpe, 2004).

Durante la corrección de la falla, el especialista debe examinar de forma minuciosa la estructura del túnel, evaluar los riesgos relacionados con el trabajo de retirar la roca suelta, observando cualquier signo de cambio en la roca o condiciones inusuales que podrían encontrarse.

Medición de las deformaciones en túneles 

El control de las deformaciones, que una determinada excavación o un proceso natural induce en el terreno como consecuencia de su respuesta tenso- deformacional, resulta imprescindible a la hora de tomar decisiones (Galera, 2003). 

En este sentido en la Tabla 1 se muestra una escala de las velocidades de corrimientos esperables en un escenario de deslizamiento de ladera, con la correlación del plazo de rotura y las medidas a adoptar.

Asimismo, en la Figura 20 se incluye un esquema del Diseño Estructural Activo (DEA) donde se muestra la importancia que posee la medida de la deformación, en el diseño de una obra subterránea.

Monitoreo de la condición 

El mantenimiento predictivo es un conjunto de técnicas instrumentadas de medida y análisis de variables para caracterizar los modos de fallo potenciales de los equipos productivos. Su misión principal es optimizar la fiabilidad y disponibilidad de equipos al mínimo costo (Ballesteros, 2017). 

La mayoría de modos de fallo de la maquinaria tienen una evolución lenta. Desde sus etapas incipientes, los fallos en desarrollo emiten mensajes en forma de vibración, ultrasonidos, etc. que son descifrados por los analistas predictivos para determinar el estado de los activos críticos y encontrar el momento óptimo para su reparación.

Metodología 

Diseño del equipamiento para monitoreo de condición de PIM

En la etapa de recopilación de datos de este artículo se buscó información de equipos dedicados al monitoreo de la condición de estructuras hallándose tecnología orientada a la medición de deformación y desplazamientos basados en fibra óptica, mas no el monitoreo de zonas de fallas en túneles (que preceden al desprendimiento de rocas). 

Es en ese sentido que el diseño propuesto en el prototipo resulta ser una innovación que adapta los principios de funcionamiento de los equipos de fibra óptica.

Equipamiento para monitoreo de condición de estructuras basado en fibra óptica 

El equipamiento para monitoreo de condición básicamente emplea la interferometría de Fabry-Perot (FPI), que consiste en 2 espejos colocados uno contra el otro; al espacio que los separa se le llama longitud de la cavidad. La luz reflejada en el FPI se modula en longitud de onda en concordancia exacta con la longitud de la cavidad. Como los sensores basados en FPI convierten temperatura, peso o presión en variaciones de la longitud de la cavidad, el objetivo se reduce a conseguir una manera práctica de alcanzar mediciones lo más precisas posible de la longitud de la cavidad de Fabry-Pérot (Andreu, 2003). 

Esta técnica ofrece una manera totalmente fiable de medición de la longitud de la cavidad de Fabry-Pérot con una exactitud y precisión asombrosas, ofreciendo consistencia con el paso del tiempo.

Prototipo para monitoreo de condición en PIM

El diseño del prototipo para monitoreo de condición en tiempo real se compone de un controlador que activa alarmas audiovisuales mediante la lectura de la señal generada por el sensor. Este arreglo (Figura 24) es la típica configuración de un lazo de control instrumentado: medir, comparar y actuar. Para definir las características de diseño del controlador, previamente se tuvo que definir el principio de medición del sensor para detectar las zonas de falla que generan desprendimiento de rocas.

Sensor del prototipo para monitoreo de condición de PIM

El sensor a ser diseñado para el arreglo de la Figura 24 debe de cuantificar la distancia entre el punto inicial del túnel hasta el punto donde se genere el PIM, para fines prácticos este sensor se denominará sensor de corrimiento.

La ubicación de los PIM se realiza porque el corrimiento altera la superficie al interior del túnel (primero ocurre el corrimiento, luego la deformación y por último la alteración de la superficie), esta perturbación de la superficie –en función a su magnitud– permite ubicar el PIM ya que el sensor de corrimiento será fijado directamente a la superficie interior del túnel.

Es evidente que las fuerzas aplicadas     –independientemente de su origen– a la estructura de los túneles modifican la forma y las dimensiones de la superficie inicial; esta condición sumada al paso del tiempo generan zonas de fallas en las estructuras, en la Figura 26 se muestra el cambio de la superficie, en el tiempo, y su efecto en la generación de un PIM.

Al actualizar los datos de la Tabla 1 (la velocidad de corrimiento, para las situaciones de caída de rocas, se debe de multiplicar por 10 como mínimo) de la velocidad inicial, resulta que los corrimientos afectan en mayor medida al desprendimiento de rocas en los túneles tal como se ve en la Tabla 2.

Finalmente con respecto al sensor, el proceso de formación de los PIM por corrimiento, como en la Figura 27, deformará al sensor que se encuentre adherido a la superficie que se vaya a monitorear. El sensor está diseñado de tal forma que ante un nivel determinado de tracción (que dependerá de las características geológicas del túnel donde se instale) por corrimiento de estructuras se espera la fractura del propio sensor para ubicar la falla al interior del túnel, debido a que la señal generada por el sensor depende del largo de este. Una ventaja del sensor es detectar inmediatamente el PIM de forma independiente de la distancia en la que se ubique y otra ventaja adicional es que no depende del nivel de experiencia del personal. 

Controlador del prototipo para monitoreo de condición de PIM

El controlador diseñado se compone de todas las etapas que un equipo empleado en el sector industrial, lo que viene a diferenciarlo son dos características que debe de poseer: en primer lugar, contar con la etapa de recepción y acondicionamiento de la señal de los sensores adheridos a la superficie de los túneles; y en segundo lugar someter a operaciones de cálculo la información proveniente de los sensores para mostrar las zonas de fallas y activar las alarmas para que los usuarios se enteren de lo que sucede al interior de los túneles. 

Con respecto al diseño de la etapa de recepción de la señal, se ha considerado el circuito de ingreso de tal forma que adapte las variaciones del sensor de corrimiento a señal de voltaje que se empleará en las otras fases: circuito de alta impedancia, conversor ADC y microprocesador.

Una vez que la información llega al microprocesador se realizan los cálculos que serán empleados para indicar la distancia donde se ha originado el PIM y activar las alarmas respectivas (audibles y sonoras). 

Conclusiones

1. El diseño del prototipo está orientado a satisfacer la necesidad de monitorear la condición en tiempo real de los túneles mineros.

2. El diseño del prototipo está enfocado a satisfacer la necesidad de detectar los puntos de inestabilidad del macizo rocoso en los túneles mineros.

3. El diseño del prototipo está orientado a satisfacer la necesidad de reducir los tiempos de detección de los puntos de inestabilidad del macizo rocoso en los túneles mineros.

4. El diseño del prototipo desarrolló la tecnología del sensor para ubicar los puntos de inestabilidad del macizo rocoso en los túneles mineros.

5. El diseño del prototipo desarrolló la tecnología del controlador para ubicar los puntos de inestabilidad del macizo rocoso en los túneles mineros.

Recomendaciones

1. Poner a prueba en condiciones reales al prototipo para monitorear la condición en tiempo real de los túneles mineros.

2. Poner a prueba en condiciones reales al prototipo para evaluar el desempeño en la detección de puntos de inestabilidad del macizo rocoso en los túneles mineros.

3. Poner a prueba en condiciones reales al prototipo para evaluar la reducción de tiempos en la detección de puntos de inestabilidad del macizo rocoso en los túneles mineros.

4. Poner a prueba en condiciones reales la tecnología del sensor para ubicar los puntos de inestabilidad del macizo rocoso en los túneles mineros.

5. Poner a prueba en condiciones reales la tecnología del controlador para ubicar los puntos de inestabilidad del macizo rocoso en los túneles mineros.

Bibliografía

Andreu, F.J. 2003. Los sensores de fibra óptica y la medida de deformaciones. Instrumentación para el control de las deformaciones en el terreno. Operatividad de la Instrumentación en Aguas Subterráneas y Suelos Contaminados y Riesgos Geológicos, v. 9, p. 279-285.

Ballesteros, F. 2017. La estrategia predictiva en el mantenimiento. Artículos en Predictecnico. v. 1, p. 36-44.

Galera, J.M. 2003. Ejemplos de control instrumental de las deformaciones. Instrumentación para el control de las deformaciones en el terreno. Operatividad de la Instrumentación en Aguas Subterráneas y Suelos Contaminados y Riesgos Geológicos, v. 9, p. 279-285.

Sociedad Nacional de Minería, Petróleo y Energía – Snmpe. 2004. Manual de Geomecánica aplicada a la prevención de accidentes por caída de rocas en minería subterránea.


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