La presente patente de invención divulga un muelle de sostenimiento de pernos helicoidales utilizados para las operaciones de fortificación, preferentemente en la minería subterránea. Específicamente se dirige a un muelle que cumple la función de sostener un perno helicoidal al interior de una perforación, fijando el perno helicoidal sin necesidad de otro elemento, solo por la misma sujeción del muelle, y principalmente minimizar los tiempos empleados en el proceso de fortificación.

ESTADO DE LA TÉCNICA

En la actualidad en obras civiles y mineras subterránea se desarrollan excavaciones, donde las condiciones geomecánicas pueden ser complicadas, generando inestabilidad de terreno, por lo que se aplican distintos métodos de sostenimientos (fortificación), dentro de los cuales el más común es la fortificación con lechada de cemento y pernos del tipo helicoidales.

La fortificación se inicia con un equipo de perforación llamado jumbo, el cual perfora el terreno mediante una cabeza de perforación generando una cavidad de forma cilindrica, posteriormente la cavidad cilindrica es llenada con una lechada de cemento, generando una fundación entre el terreno y el perno. Una vez que se tiene la perforación llena de lechada de cemento y se introduce un perno helicoidal. En algunos casos la fortificación de pernos helicoidales va acompañada de otro sistema de fortificación, la malla trenzada o también conocida como malla bizcocho, la cual va sostenida por planchuela y tuerca al perno. La principal complicación de los pernos lechados es la espera de fraguado, al introducir el perno en la perforación con lechada (aun sin fraguar), se presenta un desplazamiento del perno, debido a su propio peso (principalmente los que se encuentran en posición vertical) y peso adicional, como la malla.

- En muchas obras donde se fortifica con este método se suele doblar el perno helicoidal de cierta manera que este genere una fricción con el terreno, evitando su desplazamiento de este en la perforación. Esta técnica genera que el sector de ficción del perno helicoidal con el terreno se encuentre sin lechada o una lechada deficiente, lo que debilita la fortificación, disminuyendo su eficiencia. Esta técnica utilizada solo asegura el sostenimiento del propio perno, por lo que se debe esperar a que la lechada fragüe para continuar con el proceso de fortificación, instalación de los otros elementos.

En el mercado existe un mecanismo de anclaje llamado "cabezas de expansión" este evita el desplazamiento del perno helicoidal mientras la lechada fragua. La metodología de trabajo de las cabezas de expansión se basa en un anclaje accionado mecánicamente al girar el perno, donde las aletas se expanden quedando fijadas al terreno.

Actualmente existen dos metodologías de instalación de la cabeza de expansión, la primera y la forma correcta de instalación, se basa en la instalación del perno con cabeza de expansión al interior de la perforación, accionando la cabeza de expansión generando el anclaje se las aletas y post-lechado. Esta metodología precisa gran cantidad de tiempo, debido a que post instalación del perno se debe lechar, teniendo dos operaciones consecutivas (dos fases) para concretar la fortificación.

La segunda metodología consiste en llenar con lechada de cemento la perforación, posteriormente se introduce el perno con cabeza de expansión y finaliza con el accionamiento de las aletas de anclaje. Este último método presenta una desventaja, al momento de introducir el perno con la cabeza en la perforación del terreno se genera un efecto pistón, debido al diámetro y accionamiento de la cabeza de expansión, desplazando la lechada a medida que el perno se introduce en la perforación.

Es así como se manifiesta la necesidad de crear un muelle que permita una sujeción inmediata del perno helicoidal mientras la lechada fragua, y no afecte el desequilibrio de la lechada asegurando su capacidad portante, durabilidad del perno y disminuyendo el tiempo de fortificación.

La solución propuesta en la presente solicitud, se basa en la creación de un muelle de sostenimiento de pernos helicoidales y la correcta instalación del perno helicoidal sin alterar la durabilidad de la fortificación, asegurando la calidad y disminuyendo los tiempos de instalación de pernos por concepto de espera de fraguado, permitiendo un proceso continuo, y esto a su vez se traduce en un ahorro económico significativo.

La invención consiste en un muelle de sostenimiento que se instala al perno helicoidal, el cual proporciona un sostenimiento del perno al terreno de la perforación mediante un enclave a la roca, debido a su forma y dureza superior a la roca, permite una sujeción por compresión al terreno, manteniendo el perno anclado y garantizando que la lechada de cemento esté dispuesta de forma homogénea, asegurando la calidad fortificación.

Las ventajas que presenta el muelle de sostenimiento radica en que es fabricado en serie de una sola pieza, evitando el fallo por elementos externos al propio material, el cual también permite una simple y rápida instalación, por lo que ayuda la optimización de los ciclos de avance de fortificación. Debido a su simple confección y fabricado en serie, el costo de fabricación del dispositivo es menor en comparación a las cabezas de expansión que existen en el mercado.

Como su fabricación lo somete a un tratamiento térmico llamado revenido, el muelle de sostenimiento permite al ser introducido dentro de la perforación y comprimiendo sus dos alas de sostenimiento buscar su forma inicial ejerciendo presión hacia el terreno de la perforación, permitiendo que el perno quede sostenido al terreno de la perforación mediante las dos alas de sostenimiento y fijando al perno por el paso del hilo. Este proceso se cumple mediante la memoria que adopta el dispositivo en el proceso del tratamiento térmico. El hilo del muelle de sostenimiento es helicoidal, permitiendo su disposición en cualquier parte del perno por lo que la adaptación al largo requerido en terreno es inmediata, una vez instalado los muelles de sostenimiento en el perno helicoidal e introducidos en la perforación no necesitan de ningún accionamiento mecánico como girar o aplicar torque al perno helicoidal para que las alas de sostenimiento comiencen a trabajar y el perno helicoidal quede posicionado y fijado en la perforación de fortificación

A diferencia de las cabezas de expansión el muelle de sostenimiento se introduce con el brazo del jumbo sin necesidad de aplicar giro o torque para poder posicionar y sostener el perno helicoidal, solamente se introduce en la perforación hasta el largo requerido dando como resultado una optimización de los ciclos de avance de fortificación.

El muelle de sostenimiento es un soporte inmediato sobre el segmento a fortificar, una vez que se instalan los dispositivos de sostenimiento en el perno helicoidal e introducido en la perforación, comienza la acción soportante del conjunto

Instalando tres muelles de sostenimiento se obtiene seis alas sostenimiento que permiten distribuir y asegurar la carga que se aplicara al perno hasta que la lechada fragüe, como el diámetro del acero es de 5mm no afecta la homogeneidad de la lechada, eliminando el efecto de pistón, teniendo como resultado una protección al perno de acciones corrosivas y aumentando la durabilidad del sistema de fortificación.

Se realizaron pruebas en terreno con la disposición de tres muelles, a los cuales se les fue agregando pesos patrones, obteniendo los siguientes valores sin desplazamiento.

El muelle se puede construir para distintos diámetros de perforación y/o distintos diámetros de pernos, para esto se estableció una memoria de cálculo, la cual se describe a continuación y queda plasmado en la figura 5: Diámetro de material 0m

Diámetro de perforación 0perf

Diámetro interno del muelle 0muelle

Angulo de ala fuera de la perforación <1

Angulo de ala dentro de la perforación <2

Distancia lineal ala fuera de la perforación Δι

Distancia lineal ala dentro de la perforación Δ ₂

Largo del ala La

Ver Anexo 1

0perf— (0muelle + 2 * 0m)

Δ1 =

Δ1

La =

Sen(13°)

Δ2 = La * 5en(35°)

Mediante esta fórmula se puede llegar a fabricar un muelle de sostenimiento de acuerdo a distintos requerimientos de diámetros de pernos helicoidales y/o diámetro de perforaciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1: Vista perfil del perno helicoidal con los muelles de sostenimiento anclados al interior de la perforación del terreno con lechada de cemento.

Figura 2: Vista de perfil del muelle de sostenimiento, donde se aprecia la disposición de las alas de sostenimiento, en su estado inicial, fuera de la perforación.

Figura 3: Vista perfil, que representa el sentido de giro del muelle de sostenimiento para ser instalado en el perno helicoidal.

Figura 4: Vista de planta del conjunto completo, perno helicoidal más muelles de sostenimiento (3 unidades), y disposición final de las alas de sostenimiento.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

El Muelle de sostenimiento (1) utilizado para la sujeción del perno helicoidal (4) es fabricado de un material ferroso en una sola pieza cilindrica maciza de 5 milímetros de diámetro(l), la cual nace con una ala de sostenimiento superior (9) de 30 milímetros de longitud y formando un ángulo de 35 a 40 grados con respecto al muelle continuando con una forma de espiral con 2,5 vueltas, construida a través de dos vueltas y medias, formando un hilo izquierdo y su paso entre hilo(10) de 12,5 milímetros y el diámetro interno del espiral (11) es de 24 milímetros, terminando con una ala de sostenimiento inferior (8) de 30 milímetros de longitud y un ángulo de 35 a 40 grados respecto al eje del muelle y ambas alas de sostenimiento (8 y 9) alineados en el mismo eje del perno helicoidal (4) .

Una distribución segura se logra mediante la instalación de un primer, segundo y tercer muelle de sostenimiento, separados a 80cm uno del otro y sus alas de sostenimiento (8 y 9), siendo el ángulo formado entre las alas de sostenimiento (8 y 9) entre cada muelle de 60°, como se indica en la Fig. 4.

La invención divulga también Método de instalación del muelle de sostenimiento de pernos helicoidales con lechada de cemento en la perforación de fortificación (5), porque incluye los siguientes pasos: a. el primer muelle de sostenimiento se instala en el perno helicoidal (4) partiendo por el ala inferior (8a), girándolo en sentido contrario a las manecillas del reloj, y desplazándolo a través del perno helicoidal (4) hasta la longitud de 290 milímetros;

b. el segundo muelle de sostenimiento se instala en el perno helicoidal (4) partiendo por el ala inferior (8b), girándolo en sentido contrario a las manecillas del reloj, pero desplazándolo hasta la longitud de 210 milímetros, quedando las alas de sostenimiento (8b y 9b) en posición final a 60° con respecto a las alas de sostenimiento (8a y 9a) del primer muelle; c. el tercer muelle de sostenimiento se instala en el perno helicoidal (4) partiendo por el ala inferior (8c), girándolo en sentido contrario a las manecillas del reloj, y desplazándolo a través del perno helicoidal (4) hasta la longitud 130 milímetros, quedando las alas de sostenimiento (8c y 9c) en posición final a 60° con respecto a las alas de sostenimiento (8b y 9b) del segundo muelle.

Una vez posicionados los muelles de sostenimiento, y la perforación de la fortificación ha sido llenada con lechada de cemento (7), el perno helicoidal (4) con los muelles de sostenimiento son introducidos a la perforación del terreno (5) hasta su posición final, o requerida sin aplicar giro o torque para poder posicionar o sostener el perno helicoidal (4).

Cuando el perno helicoidal (4) ya ha sido instalado, las alas de sostenimiento (8 y 9) se expanden al interior de la perforación (5) permitiendo que el perno helicoidal (4) quede sostenido hasta el fragüe de la lechada de cemento (7), no dañando su distribución homogénea y asegurando la calidad de la fortificación.