NOTAS DE TECNOLOGÍA DE VOLADURAS - BORJA GARCÍA GARCÍA
TEMA 10. 10. - VOLADURAS EN BANCO. TEORÍA GENERAL. EXPRESIONES DE CÁLCULO. INTRODUCCIÓN. Existen dos grupos de cálculo:
En banco (las más numerosas) En frente. En este caso la única cara libre no es paralela al barreno, sino perpendicular al mismo; luego son casos muy diferentes. Es típico en viales subterraneos.
barreno Barreno.
DISTRIBUCIÓN DE LOS DIÁMETROS DE PERFORACIÓN USADOS EN ESPAÑA. Diámetros pequeños
33 – 55 mm
Diámetros medianos
50 – 150 mm
Diámetros grandes
150 – 350 mm
Voladuras en subterráneo Canteras, obras lineales, carreteras Gran minería a cielo abierto
20 % 60 % 20 %
Ejemplo: En mina de agua blanca: 1 pulgada = 25,4 mm Para precortes y voladuras mineral ----- perforadoras de de 3,5 “ = 88,9 mm (sería mediano) mediano) Para grandes voladuras de experil ----- perforadora grande de 4 a 6” = 114, 3 aprox (4,5”) TEORÍA GENERAL DE LA VOLADURA. Se basa en la LEY DE LA CONFORMIDAD y dice así: “La cantidad de explosivo necesario para volar un mismo volumen de un mismo mineral, es siempre la misma”
Q = K × L3
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NOTAS DE TECNOLOGÍA DE VOLADURAS - BORJA GARCÍA Donde: Q , es la cantidad de explosivo L , es el volumen En función de esa ley, se fueron obteniendo diferentes fórmulas para el cálculo de las viladuras, desde el siglo XVIII, como la ley de Belidor ( Q = K 1×V3 + k 2×V2, donde V es la piedra del barreno) Así se desarrollaron varias leyes hasta llegar a una teoría hoy válida y vigente que el la fórmula de Langefors y kihlstrom FÓRMULA DE LANGEFORS Y KIHLSTROM Luego la carga es función de:
q = f ( c, s, , n, d, k, h, V, E) Donde: q = es la carga explosiva necesaria para romper la piedra, V, del barreno (ó línea de menor resistencia). c = factor característico del tipo de roca a volar ( caliza, pizarra, marga…) s = factor vinculado a la potencia
= densidad del explosivo
Características del explosivo
n = factor vinculado a la V D (velocidad de detonación) d = diámetro de perforación h = longitud del barreno
Geometría de la voladura (barios barrenos)
K = altura del banco V = piedra del barreno E = distancia entre barrenos (cuanto menor sea esa distancia, más aprovecho el efecto de cada barreno). E V K
h
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NOTAS DE TECNOLOGÍA DE VOLADURAS - BORJA GARCÍA Para un tipo de explosivo y una roca en concreto:
S, , n (explosivo elegido) y c (roca conocida), pasan a ser constantes, luego:
Q = f (V, K, E, h, d) Fijamos un determinado diámetro de perforación (d cte) y para un solo barreno (Con lo que ya no tiene sentido hablar de E) y tendremos:
Q = f (V, K, h) Y por tanto, tanto h, como K van en las mismas unidades que V, luego puedo escribirlos en función de la piedra; así:
Q = f (V) q = K0 + k1×V + k2×V2 + K3×V3 + K4×V4 + … Por este motivo, todos los cálculos de voladuras se basan en un cálculo de la distancia del barreno a la cara libre del banco ( V = Piedra ). Esa distancia es muy importante porque de ella depende que la onda de compresión llegue a ella con suficiente potencia para que al reflejarse como onda de tracción siga fracturando el macizo. K0 = k1 = 0 y despreciamos los Ki con i > 4 Esto es así (K 0 = k1 = 0 ) porque para volar con v = 0, no hace falta explosivo, esa es la cara libre, lógicamente no hay roca delante. Calculando
⁄
(Carga por unidad de longitud)
=
K1 + K2×V + K3×V2 + K4×V3
Se puede despreciar K1 Luego:
q = K2×V2 + K3×V3 + K4×V4 q = cantidad de explosivo necesario para volar un volumen de roca V. K2×V2 = Cantidad suplementaria para además de arrancar el volumen deseado, fragmentarlo por fisuración K3×V3 = De acuerdo con la ley de conformidad (Q = K × V3), para arrancarlo. 3
NOTAS DE TECNOLOGÍA DE VOLADURAS - BORJA GARCÍA K4×V4 = Componente de lanzamiento ó hinchamiento (para hacer caer ó mover) Pérdida de energía por fisuración plástica Así para volar un determinado volumen de roca con un determinado explosivo, son precisos 3 aportes de energía: -
Arrancar un volumen : V = K × V3 ( dado por la ley de conformidad) Para fracturación : V = K 2 × V2 Para moverlo y que caiga K 4 × V4 ( da igual que quede más o menos alejado del frente, aunque se persigue que quede lo más pegado al frente)
RESUMEN La cantidad de explosivo necesaria para la voladura depende fundamentalmente de la piedra del barreno V. Ese explosivo se emplea en 3 funciones: -
Arrancar Fracturar Mover
Y hay que procurar que el consumo de energía en la tercera función sea mínimo porque las otras funciones son fundamentales.
TEORÍA DE LANGEFORS Ó DE LA CARGA EFECTIVA. Para voladuras a cielo abierto de dimensiones medias. CC D
B
C’ B’
D’ A’
En rojo es el prisma que debería de volar el barreno.
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NOTAS DE TECNOLOGÍA DE VOLADURAS - BORJA GARCÍA Para arrancar el macizo en la parte de abajo (carga de fondo) del barreno es preciso un explosivo de mayor energía que en la parte superior (columna), ya que en la parte inferir el arranque se hace por tracción. Si pongo el mismo explosivo a lo largo de todo el barreno estaré perdiendo explosivo y por lo tanto también dinero. Por eso, para economizar es preciso emplear dos tipos de explosivo. Uno en la parte inferior del barreno (carga de fondo) que ha de ser uno que proporcione alta concentración de energía y en la zona media del barreno (explosivo de columna) uno de menor energía porque no nos hará falta más (más barato). OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA DE LA VOLADURA
2,5 =
f × c
Sf ;
× Sc
Energía en el fondo del barreno
; Energía en la zona central.
Dónde:
= es la densidad
S = Factor de potencia
CÁLCULO DE LA PIEDRA (V)
VT =
× √
Dónde: VT = Es la piedra teórica ó piedra máxima E = Espaciamiento V = Piedra
es 1,2 ó 1,3
f
= densidad de carga del explosivo de fondo. (ojo es la cantidad de explosivo de volumen de
barreno, si es a granel coincide con la densidad del explosivo de fondo, pero si va encartuchado, pueden quedar cámaras de aire, huecos y las densidades no coincidirán). En general se reduce en un 10 %
VP = 0,9 VT 5
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Dónde:
VP = Es la piedra práctica. Ese coeficiente reductor se debe a la compensación de errores de perforación. Como por ejemplo:
Mal posicionamiento de la maquinaria (que no se adapte bien a las marcas que habíamos dispuesto). Error en el paralelismo entre tiros Inclinación de los barrenos Si se perforan en cabeza se puede dar un efecto de pandeo y acabar en un sitio que no sea el esperado. (esto es menos usual).
¿Por qué se inclinan los barrenos?
Para conseguir un mejor aprovechamiento de la energía del explosivo La onda de detonación tiene forma esférica y la energía se reparte en toda su superficie. De esa energía se aprovechará la de la zona de la roca a arrancar.
Imagen izquierda barreno inclinado 45º
Imagen de la derecha barreno vertical
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NOTAS DE TECNOLOGÍA DE VOLADURAS - BORJA GARCÍA BARRENO VERTICAL. En el caso de un barreno vertical, se aprovechará un 25 % de la energía de la onda (porque el resto quedará aplicado sobre una zona que no se pretende arrancar). BARRENO INCLINADO (45º). En el caso de barrenos inclinados, para la misma carga del caso anterior, se aprovechará el 25% de antes más otro 12,5 %, es decir un 37,5% Conclusión: Para arrancar la misma piedra, se aprovecha mejor la energía cuando se muele con barrenos inclinados. VENTAJAS DE LOS BARRENOS INCLINADOS 1. Reducción del consumo de explosivos y de la perforación específica. 2. Mejora de la fragmentación 3. Mayor seguridad para el personal y el equipo . (La energía remanente de la onda de detonación puede provocar el desprendimiento de bloques que hayan quedado fisurados tras la voladura). Así, cuanto mejor se aproveche la onda, menos energía remanente quedará y habrá menos riesgo de desprendimientos. 4. Mejor eliminación de repiés. Piso sobre el que se vuela irregular, mal volado. Los repiés deben eliminarse antes de volar la siguiente fila 5. Menores vibraciones Cuanto menor sea la cantidad de energía empleada en el desmonte, menor será la que se propagará y por tanto disminuirán las vibraciones. 6. Escasa sobre-excavación 7. Eliminación de grietas traseras a la línea de barrenos 8. Menor coste de arranque. Como el aprovechamiento de la energía es mejor, serán necesarios menor número de barrenos, es decir menores costes para volar.
INCLINACIONES USADAS EN LA ACTUALIDAD.
VERTICAL f = 1 (f = grado de fijación del barreno) 3×1 Por cada 3 metros verticales, 1 metro horizontal
3
α=18,5
α = 18,5º ; f = 0,9
1
2×1
Por cada 2 metros verticales, 1 metro horizontal
α = 26,5º ; f = 0,8
α = 26,5º
2 1
NO SE PASA DE 30º, PORQUE SURGEN PROBLEMAS EN LA CARGA DE LOS BARRENOS 7
NOTAS DE TECNOLOGÍA DE VOLADURAS - BORJA GARCÍA FACTOR DE ROCA, C – (Kg / m3) Indica la cantidad de explosivo que se necesita de carga de fondo para volar 1 m3 de roca y oscila entre 0,2 y 0,6 (kg) Hay un ensayo específico que permite determinar esa C. En una primera aproximación se toma como valor medio C=0,4, mejorándolo en función del tipo de roca. ESPACIAMIENTO ENTRE BARRENOS (E/V) La cooperación entre barrenos próximos depende de la distancia. E/V oscila, en general, entre 1 y 1,3. Para un primer cálculo se acepta E/V = 1,25 DENSIDAD DE LA CARGA EN EL FONDO ( f ) El explosivo de fondo es elegido por el usuario (anfo denso, dinamita encartuchada, goma, etc) Si se emplea explosivo encartuchado ha de ser de diámetros de 10-15 mm menor que el diámetro del barreno, ya que las bocas de perforación sufren desgaste y pueden perforar diámetros ligeramente menores de los que deberían ser.
Si se emplea explosivo a granel,
f coincide con la densidad del explosivo (rellena todo).
Como valores medios podemos tomar: PARÁMETROS
GOMA 1,10 1,00
f
Sf
HIDROGEL ENCARTUCHADO 0,90 0,95
EMULSIÓN ENCARTUCHADA 0,95 0,90
Con los valores de los parámetros anteriores se calcula la piedra teórica, la cual posteriormente se reduce en un 10% en la piedra práctica.
VP = 0,9 VT ESQUEMA DE PERFORACIÓN DE LA VOLADURA VP = 0,9 × VT
= 1,25
E = 1,25 × VP
La carga puede ser de dos tipos: 1. ESFÉRICA: Esferas concéntricas que proporcionan un reparto uniforme de la energía. 2. ALARGADA: Efecto práctico menor que con cargas esféricas. 8
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Si se alarga la carga, la longitud debe ser 1,3 × V Para compensar que el efecto práctico de carga alargada es menor, se debe introducir más explosivo. El explosivo se concentra hacia abajo y arriba del plano
-
Los barrenos, a cielo abierto, se perforan a una cierta longitud del nivle al que se quiere fragmentar: SOBREPERFORACIÓN. La longitud total del barreno será: LB =
+
0,3 × v
E LB α
0,3 × v = SOBREPERFORACIÓN
CÁLCULO DE LA CARGA EXPLOSIVA Y LA INICIACIÓN. V TACO
V
CARGA COLUMNA
X – 2V
CARGA FONDO
1,3V
Se fundamenta en la TEORÍA DE LA CARGA SELECTIVA Se emplean dos tipos de cargas explosivas, ya que en fondo se necesita más energía (explosivo más denso y potente, es decir más caro) y en el medio se necesita un explosivo menos denso y potente (más barato) El explosivo de la zona central es aproximadamente el 40% del de abajo (carga de fondo). Todos los barrenos en la zona superior llevan una zona compuesta por material inerte, detritus de la propia explotación u otro material fino, a esto se le llama TACO. 1) DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE LA CARGA DE FONDO: Los explosivos de fondo se eligen por el usuario por catálogo. 9
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LCF = V + 0,3 V = 1,3 V Las cargas alargadas tienen un efecto práctico menor que para el mismo peso de cargas esféricas y existen pruebas para compararlas con cargas equivalente. La longitud de barreno que debe ocupar la carga de fondo es 1,3 V 2) CALCULAR EL TIPO DE CARTUCHO EN CARGA DE FONDO: Ej: Goma 2; perforo en ese diámetro y elijo el cartucho necesario que como ya se ha dicho debe ser menor al diámetro de perforación lógicamente y en voladuras en banco del orden de 15 mm menos del diámetro de perforación (Ej: para diámetro de barreno de 90 --- necesito cartucho de 75) Al hacer este cálculo tener en cuenta que hay un cierto aplastamiento del 5 -10%, al caer al barreno el cartucho de cierta altura.
La carga de columna precisa un explosivo poco potente y más barato. Por lo general ANFO. Si el barreno está inundado ó es un día que llueve mucho, no se puede utilizar ANFO. Se pone el cartucho del explosivo de fondo con una disposición : Cartucho – Espaciado (de la misma longitud que el cartucho) – Cartucho – Espaciado. Ya que se precisa que la potencia sea un 50% menor que en fondo. Puede ocurrir que no tenga el catálogo - ¿Cómo calculo la carga de fondo? Voy a usar un explosivo que de una
carga de fondo X (ej.
dinamita = 1,1)
¿Peso del explosivo? Volumen barreno ×
× L n=
carga del explosivo en barreno
CF
× 1,3 v
= X
Ø = Diámetro del barreno, ya que no conozco el cartucho. Y como la densidad de carga para la goma es 1,1. Para obtener el nº de kilos, multiplico esto (x) por la densidad.
Calculamos la carga de la columna. Consideramos que es Anfo a granel, es decir ocupa todo el volumen del barreno, no hay espacios.
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Peso = Vbarreno × anfo L carga columna = LCC = L total – L fondo – L taco = L barreno – 1,3 V – V = L barreno – 2,3 V L taco = V
L cc = (
Pc =
– 2,3 v
(L – 2,3 V)
NOTA : Superficie círculo = π × R2 = π × (d/2)2 = (π × d2) / 4 ¿Ver cuánto ANFO cabe en ese volumen? V = volumen
V×
carga explosivo = V × 0,8
carga del explosivo =
carga del barreno (al ser a granel el ANFO)
(L – 2,3 V) × 0,8
E
¿CÓMO SE INICIA LA SECUENCIA DE LA VOLADURA? Pero antes vamos a ver si todo lo anterior está bien hecho.
V K
Ley de conformidad. Ver si el consumo de explosivo es el adecuado: Consumo específico de la voladura = CE C.E. = 3
m a volar = el volumen de roca que arranca cada barreno. C.E. =
=
V × E × K = Volumen de roca que arranca ese barreno. C.E. = a un valor entre 0,25 y 0,45 Kg/m 3 Ejemplo: El granito = 400 Kg, El granito debe de dar por debajo de 0,4 pero cerca. Marga compacta 300320 Kg La pizarra cerca del 0,25 11
NOTAS DE TECNOLOGÍA DE VOLADURAS - BORJA GARCÍA Un valor intermedio de referencia sería (0,45 + 0,25)/2
INICIACIÓN DE LA VOLADURA. (INICIACIÓN DE CADA BARRENO). Existen 2 procedimientos:
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