Fori per bulloni da roccia: perché la perforazione determina se il bullone tiene
Un bullone da roccia è valido solo quanto il foro in cui viene inserito. Si può usare l'acciaio di altissima qualità, la migliore cartuccia di resina e serrarlo alla coppia di serraggio specificata alla perfezione, ma cederà comunque se il foro è stato praticato con l'angolazione sbagliata, attraverso un piano di frattura o con un diametro errato. Il bullone dipende dal foro. E il foro dipende dalla punta e dall'asta di perforazione utilizzate per realizzarlo.
Il consolidamento del tetto con bulloni è il metodo di sostegno del terreno più comune nelle miniere e nelle gallerie sotterranee, e per una buona ragione: è veloce, flessibile e costa una frazione di quanto costano i set di acciaio o i rivestimenti in calcestruzzo spruzzato. Ma velocità e basso costo funzionano solo se il consolidamento con bulloni viene eseguito correttamente. Ecco cosa significa "eseguito correttamente" dal punto di vista della perforazione, prima ancora di inserire il bullone.
Angolo del foro: la geometria che determina tutto
Un bullone da roccia funziona ancorandosi a una roccia solida oltre la zona fratturata o cedevole, applicando poi tensione per comprimere la roccia instabile contro la roccia stabile retrostante. Affinché ciò sia efficace, il bullone deve intersecare gli strati rocciosi con l'angolazione corretta.
La regola fondamentale è che i bulloni devono essere installati perpendicolarmente alla superficie rocciosa, ove possibile. Un bullone installato con un'angolazione rispetto alla superficie crea una distribuzione asimmetrica delle sollecitazioni: un lato del bullone viene caricato più dell'altro, la piastra di appoggio non si posiziona in piano e la forza di serraggio effettiva del bullone risulta ridotta.
Nelle rocce stratificate o laminate, l'angolo ideale del bullone è perpendicolare ai piani di stratificazione, non necessariamente perpendicolare alla superficie di scavo. Un bullone parallelo alla stratificazione è praticamente inutile: è come cercare di inchiodare le pagine di un libro dal dorso. Le pagine possono comunque scorrere l'una sull'altra perché il chiodo è orientato nella direzione di scorrimento, non trasversalmente ad essa.
Perforare un foro con un'angolazione precisa, in una galleria sotterranea ristretta, con un trapano manuale, è più difficile di quanto sembri. La punta del trapano tende a spostarsi non appena tocca la roccia. L'operatore deve contrastare il peso del trapano. Il terreno potrebbe essere irregolare nel punto in cui è segnato il collare. E se i primi centimetri del foro non sono angolati correttamente, lo sarà anche il resto del foro: non è possibile direzionare un'asta di perforazione conica una volta che è nella roccia.
Il segreto sta nella fase di impostazione: segnare chiaramente la posizione del foro, posizionare il trapano in modo che l'asta sia all'angolazione desiderata prima che la punta tocchi la roccia e iniziare la foratura con una leggera pressione di avanzamento e una bassa velocità di rotazione fino a quando la punta non ha formato un collare pulito. Quei primi secondi di foratura sono decisivi per stabilire se il bullone inserito nel foro svolgerà correttamente il suo lavoro.
Profondità del foro: non fermarti alla frattura
Un foro per un bullone troppo superficiale, che si ferma all'interno della zona fratturata o erosa invece di raggiungere la roccia solida, significa che il bullone è ancorato in un materiale che non è in grado di trattenerlo. Al primo spostamento del terreno, il punto di ancoraggio si muove con esso e il bullone perde tensione.
La profondità del foro necessaria è determinata dalla lunghezza del bullone, che a sua volta dipende dalla geologia del terreno. Il bullone deve estendersi per almeno 0,3-0,5 metri oltre la zona di frattura stimata, penetrando in roccia solida. Se la zona di frattura ha uno spessore di 2 metri, è necessario un bullone di almeno 2,5 metri e il foro deve essere sufficientemente profondo da contenere l'intera lunghezza del bullone e la cartuccia di resina.
Sembra ovvio. Ciò che è meno ovvio è che il requisito di profondità del foro ha implicazioni per la scelta della punta e dell'asta di perforazione. Un foro profondo per un bullone, di 3 metri o più, come spesso accade nelle miniere a grande apertura, richiede un'asta di perforazione sufficientemente lunga da raggiungere tale profondità senza dover aggiungere prolunghe a metà foro. Richiede una punta in grado di perforare in linea retta a quella profondità senza deviare. E necessita di un flusso di lavaggio sufficientemente potente da rimuovere i detriti da un foro più lungo dell'altezza dell'operatore.
Zone di frattura: il buco che non si vede
Il peggior foro per un bullone è quello praticato direttamente in un piano di frattura e che fuoriesce dall'altro lato in un terreno incoerente. Il bullone entra, la resina si indurisce, tutto sembra a posto, ma alla prima sollecitazione del terreno, il bullone si sfila perché era ancorato in un blocco non fissato a nulla di solido.
È responsabilità del trivellatore prestare attenzione a ciò che dice la trivella. Quando la punta incontra una zona di frattura, la velocità di penetrazione cambia, solitamente aumenta man mano che la punta penetra in terreno aperto o fratturato. Il suono della trivella cambia: l'impatto diventa meno netto, più sordo. Il flusso di ritorno del fluido di lavaggio potrebbe diminuire poiché l'acqua o l'aria di lavaggio fuoriescono nella frattura invece di risalire dal foro.
Qualsiasi di questi segnali indica che il foro ha intercettato una frattura significativa. Se ciò accade vicino alla profondità prevista, il bullone potrebbe essere ancora utilizzabile: la frattura potrebbe trovarsi al di sopra della zona di ancoraggio. Se invece accade prima, il foro deve essere abbandonato e riforato in una posizione o con un'angolazione diversa. Continuare a forare in una zona di frattura e installare un bullone in quel punto significa installare un bullone già compromesso.
Fissaggio con resina: la chimica che esige fori puliti
I bulloni ancorati con resina, il tipo più comune nell'industria mineraria moderna, si basano su una cartuccia di resina bicomponente che viene inserita nel foro prima del bullone. Quando il bullone viene avvitato nel foro, rompe la cartuccia, miscela la resina e l'indurente e la miscela si solidifica attorno al bullone formando un ancoraggio chimico.
Affinché la resina aderisca correttamente, la parete del foro deve essere pulita. Polvere di roccia, detriti di perforazione o fango rimasti nel foro impediranno alla resina di entrare in pieno contatto con la roccia, riducendo la forza di adesione. Un foro pieno di detriti impedirà inoltre alla resina di fluire nello spazio anulare tra il bullone e la parete del foro: la resina verrà spinta fuori dal foro anziché penetrare nello spazio.
La soluzione consiste in un flusso di lavaggio adeguato durante la perforazione e in un lavaggio finale dopo che il foro ha raggiunto la profondità desiderata. Far scorrere acqua o aria compressa per qualche secondo in più dopo che la punta ha smesso di avanzare, per rimuovere eventuali residui di detriti dal foro. Bastano pochi secondi e migliora significativamente l'affidabilità dell'adesione della resina.
Il collegamento tra foratura e bullonatura
L'installazione di bulloni e la perforazione della roccia sono generalmente gestite da squadre diverse: i perforatori eseguono i fori, gli addetti all'installazione dei bulloni. Tuttavia, la qualità dell'installazione dei bulloni viene determinata già nella fase di perforazione. Un bullone installato in un foro eseguito male (con angolazione o profondità errate, o con pareti sporche) cederà indipendentemente da quanto accuratamente venga installato.
Per chi effettua le perforazioni, questo significa comprendere che quei fori per i bulloni non sono semplici fori. Sono le fondamenta del sistema di sostegno del terreno e la punta e l'asta di perforazione utilizzate per realizzarli rappresentano il primo anello della catena di sicurezza.
