1ra Jornada GeoBlast - Arequipa Perú
“Fragmentación Sustentable” Aplicación de las Ingenierías Geotécnica & Voladura, agregando Valor en el Negocio Minero
8.- MODELAMIENTO DE P&V Expositor: Carlos R. Scherpenisse Arequipa – Perú 6, 7 y 8 de Julio 2009 Av. Alonso de Córdova 5710 Of. 902 Las Condes Santiago Phone: +56 2 7144200 Fax: +56 2 7144230 website: www.geoblast.cl
Instrumentación, Monitoreo e Interpretación de Vibraciones
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Conceptos Generales de Monitoreo e Interpretación de Vibraciones ! Características de las Vibraciones (Ondas) ! Tipos de Sensores (Transductores) ! Instalación y Acoplamiento de los Sensores ! Dirección y Orientación de los Sensores ! Equipos de Adquisición y Análisis ! Análisis e Interpretación de las Vibraciones
Característica de las Vibraciones La onda de choque generada por la detonación de cargas explosivas, se propaga en forma esférica, y transfiere una energía vibracional al macizo rocoso. Estas ondas sísmicas transmiten a la roca movimientos de partículas en distintas direcciones, con intensidades que dependerán del poder energético del explosivo y la geometría involucrada.
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Característica de las Vibraciones Cuando se desea medir eventos de características transientes, se deben considerar tres aspectos:
! La respuesta en frecuencia del detector ! La repuesta en frecuencia del instrumento que almacena la información ! La localización y método de acoplamiento del detector
Instrumentación para Monitoreo de Vibraciones Tipo de Sensores (Transductores) Gran parte de las capacidades y ventajas de la técnica de monitoreo de vibraciones descansa en la habilidad para recolectar datos de vibración de buena calidad. La característica de estos datos tiene directa relación con el tipo de transductor utilizado, la técnica empleada para su instalación y orientación. Los dos tipos básicos de transductores usados para medir las vibraciones del terreno son el acelerómetro y el geófono. En la práctica, la selección de los transductores es un compromiso entre la precisión, el costo y la relación señal ruido.
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Instrumentación para Monitoreo de Vibraciones Instalación de Sensores (Transductores) La cantidad de información utilizable de cada registro de vibraciones depende de la ubicación y orientación de los transductores. La forma de la onda recibida es función de lo siguiente:
! ! ! ! !
Propiedades y cantidad de explosivo Configuración geométrica de la fuente y detector Orientación del detector Propiedades del transductor Propiedades de la roca (ej. Velocidad de Onda-P)
Instrumentación para Monitoreo de Vibraciones Número de Sensores (Transductores) El número de transductores usados depende de la cantidad de información requerida. Si el interés principal es confirmar la detonación de cada carga (o grupo de cargas en cada retardo), o la medición de la dispersión de los retardos, entonces se requerirá solo un transductor y su localización no será muy crítica. Si se desea examinar la contribución de cada carga de la voladura, o si el interés es conocer la forma de la onda por cada componente, la fuente generadora de cada vibración debe ser conocida. Se requiere para esto una cuidadosa ubicación y selección del número de transductores a utilizar.
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Tipo de Sensores (Transductores) Acelerómetros -
Mejor respuesta en un amplio rango de frecuencias (1Hz a 20.000Hz) Su unidad de medida es el g (1g=9.8 m/s2), con rangos de 0-250g. No poseen partes móviles, lo que resulta en una mayor fiabilidad La deformación del cristal piezoeléctrico genera voltajes muy pequeños que deben amplificarse con elementos externos - Son de pequeño tamaño - Alto costo (aprox. US$ 1.000)
Geófonos -
Su unidad de medida es el Volt/mm/s Entregan una medición directa de la velocidad Miden bien en el rango de 1mm/s hasta 1200mm/s Su respuesta a la frecuencia varía entre 4.5 a 1000 Hz La sensibilidad varía entre 0.003Volts/[mm/s] a 0.041Volts/[mm/s] Bajo costo (aprox. US$ 100).
Sensibilidad de un Geófono Terminales de Salida
29 mVolts Aspecto Real S
Representación esquemática
N
Sensib. Resist.
= 0.029 Volts / [mm/s] = 375 Ohm Por cada 1 mm/s
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Sensibilidad de un Geófono
Resistencia Shunt Rs = 1500 Ohm S
Resistencia Total Rt = (Rs x Rg)/(Rs + Rg)
N
Sensib. Resist.
Nueva Sensibilidad S* = Sg x (Rt/Rg) Rt* = 300 Ohm S* = 0.023 Volts /[mm/s]
= 0.029 Volts / [mm/s] = 375 Ohm
Interpretación de los Signos
-
+ -
+ S S N N
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Vibraciones por Voladuras Cada Carga Explosiva genera una Onda de Vibración 100
Velocidad de Partículas
50
0
-50
Tiempos de Detonación -100 2300
2400
2500 2600 TIEMPO [ms]
2700
2800
Instalación y Orientación de los Geófonos La Tronadura actúa como una Fuente Sísmica
Vertical
Línea de Propagación Directa de la Ondulación
Punto de Monitoreo Transversal Longitudinal (Radial)
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Instalación y Orientación de los Geófonos GEÓFONO VERTICAL
Arreglo Triaxial
PERFIL DE ALUMINIO
GEÓFONO TRANSVERSAL
GEÓFONO RADIAL
Instalación y Orientación de los Geófonos Orientación Para realizar una adecuada interpretación de los datos de vibración, que permitan analizar la secuencia real de iniciación de un determinado número de cargas, en asociación con la posición relativa entre ésta y el transductor, es necesario tener absoluta certeza de la orientación real del transductor. Acoplamiento Una vez que el transductor está ubicado en la perforación de monitoreo y correctamente orientado, su posición debe ser asegurada por medio de cemento con características de hormigón, el cual proporciona mejor acoplamiento.
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Instalación y Orientación de los Geófonos
En Superficie Útil para medición relativa en el Campo Cercano (tiempos y secuencia de detonación), y de uso frecuente para medición en el Campo Lejano. Dentro del Macizo Rocoso Útil para medición de valores absolutos en el Campo Cercano.
Instalación y Orientación de los Geófonos Monitoreo en Superficie para medición de Secuencia y Magnitudes relativas.
Geófono
Geófono
Radial
Radial
En Canteras o Cielo Abierto
En Minas Subterráneas
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Instalación y Orientación de los Geófonos Acoplamiento
Tubo PVC (50mm ó 75mm)
Hormigón G
Geófonos En superficie
Roca alterada cerca de la superficie
Zona del Taco
Geófonos dentro del macizo Cargas Explosivas
Instalación y Orientación de los Geófonos Posibles errores en la señal resultante por mal acople del Geófono
d
Método con perno o fierro
Señal distorsionada por oscilación del geófono
Método con pegamento
Señal más clara obtenida de la tronadura
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Instalación y Orientación de los Geófonos
N145
15m
26m
G2 G3
10m
G1
N118,5
N90
Parámetros de una Onda T=1/f Vo
V = Vo x Sen(ωt) D = Vo 2π f
x Cos(ωt)
Con: ω=2xπ xf f = 1/T
A = Vo x 2π f x Cos(ωt) Donde: Vo T f D A
= = = = =
Amplitud de la vibración Período de la onda Frecuencia de la onda (f=1/T) Desplazamiento Aceleración
(mm/s) (ms) (Hz) (mm) (m/s2)
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Equipo de Adquisición Alta velocidad de conversión y frecuencia de muestreo (sample rate)
Señal Real
Señal Digitalizada con 2 Dt/Pto.
Señal Digitalizada con 1 Dt/Pto.
Análisis del efecto del tiempo de muestreo sobre la Onda Frecuencia de Muestreo : 200us/Pto
800
862.5 [mm/s]
600
400
250 Hz
312.6 [mm/s] 200
89 Hz
0
-200
29 Hz 32 Hz
-237.2 [mm/s]
-400
-517.5 [mm/s] -600
-800 800
900
1000
Tiempo [ms]
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Análisis del efecto del tiempo de muestreo sobre la Onda Frecuencia de Muestreo : 1000us/Pto
800
722.2 [mm/s]
600
400
312.6 [mm/s] 200
0
-200
-237.2 [mm/s]
-400
-517.5 [mm/s] -600
-800 800
900
1000
Tiempo [ms]
Análisis del efecto del tiempo de muestreo sobre la Onda 800
Frecuencia de Muestreo : 2000us/Pto
377.2 [mm/s]
600
400
312.6 [mm/s] 200
0
-200
-237.2 [mm/s]
-400
-517.5 [mm/s] -600
-800 800
900
1000
Tiempo [ms]
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Análisis del efecto del tiempo de muestreo sobre la Onda Frecuencia de Muestreo : 4000us/Pto
800
862.5 [mm/s]
600
400
226.3 [mm/s] 200
0
-200
-237.2 [mm/s]
-400
-517.5 [mm/s] -600
-800 800
900
1000
Tiempo [ms]
Efecto sobre la Onda, según la resolución en tiempo de muestreo 312.6 [mm/s] 89 Hz
312.6 [mm/s] 29 Hz
312.6 [mm/s]
226.3 [mm/s]
200us/Pto
1000us/Pto
2000us/Pto
4000us/Pto
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Efecto sobre la Onda, según la resolución en tiempo de muestreo 862.5 [mm/s] 722.2 [mm/s] 250 Hz
377.2 [mm/s]
0 [mm/s]
32 Hz
200us/Pto
1000us/Pto
2000us/Pto
4000us/Pto
Análisis de la Onda de Vibración La señal de vibraciones producida por una tronadura, consiste en un número discreto de paquetes de ondas, cada uno de estos corresponde a cargas o grupos de cargas detonando en un determinado tiempo. El primer paso en el análisis de la señal, es determinar que carga representa cada paquete de vibración. De la capacidad para realizar esto depende determinar la diferencia entre la detonación real y la secuencia diseñada. La forma y amplitud de un paquete de vibración, da la efectividad relativa de la detonación de las cargas en una tronadura. La amplitud de vibración es una medición de la energía transferida por el explosivo al macizo rocoso.
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Con el Monitoreo y Análisis de la Onda de Vibración Es posible determinar y calcular lo siguiente: ! ! ! ! ! ! ! !
Tiempo real de detonación de una carga o cargas Velocidad de partículas de cada carga en la voladura Detonación de cargas con baja eficiencia o no detonadas Detonación instantánea de cargas; detonación de cargas por simpatía, acoplamiento por insuficiente tiempo entre cargas. Eficiencia relativa en la detonación de cargas similares Diferencia entre Cargas Explosiva de Producción y Contorno Diferencia entre cargas detonadas con distinto confinamiento Análisis de Frecuencia, etc.
Monitoreo y Análisis de Vibraciones 11
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Monitoreo y Análisis de Vibraciones Diagrama Original de Perforación 4m
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3m
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5
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3
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5
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0m
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Monitoreo y Análisis de Vibraciones Monitoreo Vibraciones Prueba Diseño Original Onda Completa, Geófono 1, Sector 11-13.5, Zona 1, Norte 5
Cargas de Rainura
100
Zapateras
CargasNormales con ANFO en Auxiliares
Cargas de Contorno Desacopladas
50
0
-50
Medición de Tiempos de Detonación
-100 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Tiempo (ms)
Monitoreo y Análisis de Vibraciones Monitoreo Vibraciones Prueba Diseño Original Sector Rainura, Geófono 1, Sector 11-13.5, Zona 1, Norte 5 49.2 ms
60
123.4 ms 381.5 ms
75.9 ms
40
105.6 ms 136.8 ms
28.8 ms
250.3 ms 281.2 ms
353.5 ms
Cargas no Detectadas
20
0
#7
-20
#8
34.7 mm/s 36.5 mm/s
31.9 mm/s
-40 54.7 mm/s
37.0 mm/s
50.7 mm/s
55.8 mm/s 41.6 mm/s
53.5 mm/s
-60 0
100
200
300
400
500
Tiempo (ms)
20
Monitoreo y Análisis de Vibraciones Monitoreo Vibraciones Prueba Diseño Original Sector Coronas y Zapateras, Geófono 1, Sector 11-13.5, Zona 1, Norte 5 100
97 mm/s 11.4 mm/s 5.58 ms
50
0
-50
4.64 ms -100
4.6
4.8
5.0
5.2
5.4
5.6
5.8
6.0
Monitoreo y Análisis de Vibraciones Secuencia 2 Retardos Nº 1 al 15
Secuencia 1 Retardos Nº 4 al 16
Secuencia 4 Retardos Nº 1 al 15
10
5
0 46
10
8
12
14
1 16
-5
5 10
9 11 13 7
2 15
13
4 6
14
8
16
11 1 5
15
9
3 7
-10
12
0
1
2
3
Tiempo (segundos)
21
Monitoreo y Análisis de Vibraciones Vibración presente en cada carga Secuencia Nº3 8.43 mm/s 4.37 mm/s
10
4.98 mm/s 4.37 mm/s
4.88 mm/s
4.27 mm/s
3.76 mm/s
2.64 mm/s
5
0
-5 -3.35 mm/s -3.76 mm/s -4.77 mm/s -5.48 mm/s -6.30 mm/s
-5.79 mm/s
-6.30 mm/s
-10 -9.95 mm/s
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
Tiempo (segundos)
Monitoreo y Análisis de Vibraciones Tiempos de Detonación y Dispersión de Retardos Secuencia Nº2 10
50 ms 50 ms 50 ms
5 408 ms
554 ms 504 ms
80 ms
89 ms
634 ms
129 ms 723 ms
135 ms
852 ms
987 ms
0
-5
Retardo faltante Nº3 (75 ms) -10
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Tiempo (segundos)
22
Monitoreo y Análisis de Vibraciones 50
Diferencia de amplitud en cargas idénticas
0
-50 50
Mal funcionamiento de cargas 0
Cargas NO Detonadas
-50 0
100
200
300 TIEMPO [ms]
400
500
Monitoreo y Análisis de Vibraciones RADIAL
VOLADURA
10 5 0 -5 -10 0
1
2
3
5
6
7
5
6
7
5
6
7
TRANSVERSAL
VOLADURA
10
4
Time (seconds)
5 0 -5 -10 0
1
2
3
VOLADURA
10
4
Time (seconds)
VERTICAL
5 0 -5 -10 0
1
2
3
4
Time (seconds)
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Monitoreo y Análisis de Vibraciones Señales de Vibración Típicas
[mm/s] +500
Radial
0 ±500
Transversal
0 ±500
Vertical
0 ±500
Vector Suma : Vs (t) =
0 -500
0.0
0.2
0.4
2
2
2
A (t) + A (t) + A (t) r
0.6 TIEMPO [ms]
t
v
0.8
1.0
1.2
Monitoreo y Análisis de Vibraciones Señales de Vibración Típicas
[mm/s] +500
Radial
0 ±500
Transversal
0 ±500
Vertical
0 ±500
Vector Suma
0 -500
0.0
0.2
0.4
0.6 TIEMPO [ms]
0.8
1.0
1.2
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Conclusiones (I) El Monitoreo de Vibraciones producto de Voladuras, es una técnica que permite examinar en detalle el proceso y rendimiento general del diseño de la Voladura, pudiéndose evaluar:
U Cargas detonando en una secuencia de U U U U
encendido incorrecta Dispersión en los tiempos de los retardos Detonación deficiente de cargas Detonaciones instantáneas Detonación de cargas adyacentes por simpatía
Conclusiones (II) U El desarrollo de la secuencia de iniciación del U U U U
disparo La velocidad de partículas que genera cada carga o grupo de cargas en la tronadura El acoplamiento de las vibraciones como consecuencia de la separación insuficiente en tiempo entre cargas con un mismo retardo La eficiencia relativa de detonación entre cargas similares La diferencia entre cargas explosivas de producción y contornos
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Conclusiones (III) U Para que la información registrada refleje en forma fiel los eventos ocurridos durante la voladura, se debe tener especial cuidado en la elección del tipo de transductor a utilizar, su instalación y orientación en terreno. U Además de esto, son importantes las cualidades que debe poseer el equipo de análisis de la onda de vibración, para permitir una grabación fidedigna y un adecuado análisis de los datos.
1ra Jornada GeoBlast - Arequipa Perú
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Expositor: Carlos R. Scherpenisse Arequipa – Perú 6, 7 y 8 de Julio 2009 Av. Alonso de Córdova 5710 Of. 902 Las Condes Santiago Phone: +56 2 7144200 Fax: +56 2 7144230 website: www.geoblast.cl
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