Control de Vibraciones

MECÁNICA DE ROCAS II 2013

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TITULO

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PROFESOR

:

ALUMNO :

Mecánica de Rocas II

Control de Vibraciones por Efecto de la Voladura

Córdova Rojas, Nestor David

Grados Ramos, Ciro

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INDICE Pág. Introducción…

…3

Variables que afectan a las características de las vibraciones…

…4

Variables geométricas de las voladuras… voladuras…

…8

Características de las vibraciones terrestres… terrestres …

…10

Características de las ondas aérea… aérea…

…14

Instrumentación de registro y análisis de vibraciones y onda aérea …

…15

Efecto de las vibraciones sobre los macizos rocosos… rocosos …

…18

Recomendaciones para reducir los niveles de vibración del te rreno y onda aérea……19 Aplicación… Aplicación…

…21

Estudio de voladura de un banco – aplicación…

…25

Conclusiones… Conclusiones…

…28

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INTRODUCCION Para la fragmentación de las de las rocas se hace necesaria la utilización de explosivos los cuales pueden generar alteraciones como vibraciones, onda aérea y proyecciones de la roca que en algunas circunstancias pueden originar daños en las estructuras próximas a los sitios de explotación, los cuales pueden causar algún tipo de molestias en las viviendas más cercanas al punto de la voladura y ser causa de conflictos permanentes con los habitantes próximos a las explotaciones. El objetivo principal de este estudio es establecer si las perturbaciones originadas por las voladuras superan o no el umbral de daño estipulado por las normas vigentes. Si el nivel de vibraciones registrado fuera menor que el criterio de prevención, podrá incrementarse progresivamente la carga operante hasta que las intensidades de vibración fueran iguales al valor máximo permitido. En esta exposición se analiza la teoría de generación y propagación de las vibraciones y onda aérea producida por las voladuras, la metodología de estudio, los criterios de daños aplicables y los parámetros de diseño que debe considerar el técnico para controlar esas alteraciones ambientales.

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VARIABLES QUE AFECTAN A LAS CARACTERISTICAS DE LAS VIBRACIONES Geología Local y Características de las Rocas: La geología local y las características geomecánicas de las rocas tienen una influencia grande sobre las vibraciones. En los macizos rocosos homogéneo y masivos las vibraciones se propagan en todas la s direcciones, pero en estructuras geológicas complejas, la propagación de las ondas puede variar con la dirección y por lo tanto diferentes índices de atenuación o leyes de propagación. La magnitud de las vibraciones a grandes distancias decrece rápidamente si existe material de recubrimiento pues una gran parte de la energía se consume en vencer las fricciones entre partículas y en los grandes desplazamientos de éstas.

Distancia al punto de la voladura: La distancia a la voladura tiene, igual que la carga, tiene una gran importancia sobre la magnitud de las vibraciones. Conforme la distancia aumenta la intensidad de las vibraciones disminuye de acuerdo a una ley del tipo:

  Donde el valor de «b», según el U.S. Bureau of Mines, es del orden de 1,6.

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Otro efecto de la distancia es el debido a la atenuación de los componentes de la onda de alta frecuencia, ya que la tierra actúa como un filtro pasa – baja. Así grandes distancias las vibraciones del terreno contendrán más energía en el rango de las frecuencias bajas.

Peso de la Carga Operante: La magnitud de las vibraciones terrestres y aéreas varía según la carga de explosivos que es detonado y la distancia de dicho punto al lugar de la voladura. El peso de la carga operante es el factor individual más importante que afectan a la generación de las vibraciones. La relación que existe entre la intensidad de las vibraciones y la carga es de tipo potencial, por ejemplo la velocidad de partícula se cumple:

   Las investigaciones llevadas a cabo por el U.S. Bureau of Mines indican que el valor de «a» es del orden de 0,8. En voladuras donde se emplea más de un número de detonador, es la mayor carga por retardo la que influye directamente en la intensidad de las vibraciones y no la carga total empleada en la voladura, siempre que el intervalo de retardo sea suficientemente grande para que no existan interferencias constructivas entre las ondas generadas p or los distintos grupos de barrenos.

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Consumo específico de explosivo: Otro aspecto interesante, y en ocasiones confuso, es el que se refiere al consumo específico de explosivo. Frente a problemas de vibraciones, se plantea reducir el consumo específico de las voladuras, pero no hay nada más alejado de la situación de nivel mínimo, pues han llegado a registrar voladuras en la que bajando el consumo de explosivo un 20% con respecto al óptimo, los niveles de vibración medidos se han multiplicado por 2 y por 3, como consecuencia del gran confinamiento y mala distribución espacial del explosivo que origina una falta de energía para desplazar y esponjar la roca fragmentada.

Tipos de explosivos: Se tiene una correspondencia entre las velocidades de partícula y las tensiones inducidas en las rocas, y tal constante de proporcionalidad es la impedancia del medio rocoso. Como consecuencia práctica es que aquellos explosivos que generan presiones de barreno más bajas provocarán niveles de vibraciones inferiores. Estos explosivos son los de baja densidad y baja velocidad de detonación, por ejemplo el ANFO. Si se compara una misma cantidad de ANFO con un hidrogel común, o un hidrogel aluminizado, la intensidad de las vibraciones generadas por el primero es 2 veces y 2,4 veces menor respectivamente.

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Tiempos de Retardo: El intervalo de retardo entre la detonación de barreno puede referirse al tiempo de retardo nominal o al tiempo de retardo efectivo. El primero es la diferencia entre los tiempos nominales de iniciación, mientras que el tiempo de retardo efectivo es la diferencia de los tiempos de llegada de los pulsos generados por la detonación de los barrenos disparados con períodos consecutivos. En lo relativo al tiempo mínimo de retardo para eliminar las interferencias constructivas o con efectos sumatorios, en los primeros estudios realizados por Duvall et al (1963) se proponían intervalos de 8 ms y 9 ms, calculados a partir.de los experimentos llevados a cabo en canteras de caliza. Langefors (1963) señala que con intervalos mayores a 3 veces el período de vibración puede suponerse que no existe colaboración entre barrenos adyacentes detonados de forma secuenciada, debido a la amortiguación de las señales.

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VARIABLES GEOMÉTRICAS DE LAS VOLADURAS Diámetro de perforación. El aumento del diámetro de perforación es negativo, pues la cantidad de explosivo por barreno es proporcional al cuadrado del diámetro, resultando unas cargas operantes en ocasiones muy elevadas.

Altura de banco. Debe intentarse mantener una relación «H/B>2» para obtener una buena fragmentación y eliminar los problemas de repiés, al mismo tiempo que se reduce el nivel de las vibraciones por estar las cargas menos confinadas.

Piedra y espaciamiento. Si la piedra es excesiva los gases de la explosión encuentran resistencia para fragmentar y desplazar la roca y parte de la energía del explosivo se transforma en energía sísmica aumentando la intensidad de las vibraciones. Si la dimensión de la piedra es reducida los gases se escapan y expanden hacia el frente libre a una velocidad muy alta, impulsando a los fragmentos de roca proyectándolos de una forma incontrolada y provocando además un aumento de la onda aérea y el ruido. En lo relativo al espaciamiento, su influencia es semejante a la del parámetro anterior e incluso su dimensión depende del valor de la piedra.

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Sobre perforación. Cuando se utilizan longitudes mayores a las necesarias, cada sección adicional colabora con una cantidad de energía cada vez menor en el cizallamiento y movimiento de la roca en la base, y por lo tanto un porcentaje cada vez mayor de la energía desarrollada por el explosivo se convierte en vibraciones del terreno, generando paralelamente un gasto superfluo en perforación y explosivos, y dejando un piso irregular.

Retacado. Si la longitud de retacado es excesiva, además de presentar problemas de fragmentación, se aumenta el confinamiento, pudiendo dar lugar a mayores niveles de vibración.

Desacoplamiento. Experiencias llevadas a cabo por Melnikoy, empleando desacoplamientos del 65 al 75%, demuestran que se mejora la fragmentación y la uniformidad de la granulometría, y que se disminuye el porcentaje de voladura secundaria entre 2 y 10 veces, así como el consumo específico de explosivo y la intensidad de las vibraciones del terreno.

Tamaño de las voladuras. Las dimensiones de las voladuras están limitadas, por un lado, por las necesidades de producción, y por otro, por las cargas máximas operantes determinadas en los estudios vibrográficos a partir de las leyes de propagación, tipos de estructuras a proteger y parámetros característicos de los fenómenos perturbadores.

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CARACTERÍSTICAS DE LAS VIBRACIONES TERRESTRES Es preciso indicar que estos estudios se tratan de una mera aproximación al problema, pues los fenómenos reales son mucho más complejos debido a la superposición de diferentes tipos de ondas y mecanismos modificadores de ésta s.

Tipos de ondas sísmicas generadas: Las distintas ondas sísmicas se clasifican en dos grupos: «ondas internas» y «ondas superficiales». El primer tipo de ondas internas son las denominadas "Primarias o de Compresión – P”. Estas ondas se propagan dentro de los materiales, produciendo alternativamente compresiones y rarefacciones y dando lugar a un movimiento de las partículas en la dirección de propagación de las ondas. El segundo tipo lo constituyen las «Ondas Transversales o de Cizallamiento - S» que dan lugar a un movimiento de las partículas perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Las ondas de tipo superficial que se generan normalmente en las voladuras de rocas son: las Ondas Rayleigh - R y las Ondas Love - O. Otros tipos de ondas superficiales son las Ondas Canal y las Ondas Stonelly, que carecen de importancia por la poca información que suministran.

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Las velocidades de “P” y “S” Pueden estimarse a partir de las características elásticas de los materiales con las siguientes expresiones.

Donde:

             

  E

: Densidad de la roca : Coeficiente de Poisson : Modulo de Young : Velocidad de propagación de las ondas longitudinales y transversales,

respectivamente.

Parámetros de las ondas: Una simplificación para el estudio de las vibraciones generadas por las voladuras consiste en considerar éstas como ondas de tipo sinusoidal.

Amplitud (A). Desplazamiento máximo de un punto desde su posición de reposo.

Velocidad de Partícula (v). Velocidad a la que se desplaza el punto.

Aceleración (a). Ritmo de cambio de la velocidad.

Frecuencia (f). Número completo de oscilaciones o ciclos por segundo. La frecuencia es inversa del período «T».

El Desplazamiento (Y): En cualquier instante vale: y= A x sen(wt)

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Atenuación Geométrica: La densidad de energía en la propagación de los pulsos disminuye conforme las ondas encuentran o afectan a mayores volúmenes de rocas. Parece lógico considerar ciertos factores de atenuación geométrica para cada uno de los distintos tipos. Ejemplo en un medio homogéneo, elástico o isótropo la amplitud cae debido a la amortiguación geométrica, siendo su caída proporcional para los distintos tipos de ondas dominantes. •

“1/s” para ondas internas en un medio (semi) infinito.

•

“1/s0.5” para ondas Rayleigh.

•

“1/s2” para ondas internas propagándose a lo largo de una superficie libre.

Donde “s” es la distancia desde la fuente sísmica.

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Amortiguación inelástica: En la naturaleza, los macizos rocosos no constituyen para la propagación de las vibraciones por el contrario presentan efectos inelásticos que provocan una pérdida de energía durante la propagación de ondas. 

Disipación en matriz inelástica debido al movimiento relativo en las superficies ínter cristalina y plano de discontinuidad.



Atenuación en rocas saturadas debido al movimiento del fluido con respecto a la matriz.



Flujo en el interior de las grietas.



Difusión defensores inducidas por volátiles absorbidos.



Reflexión en rocas porosas o con grandes huecos.



Absorción de energía en sistemas que experimentan cambios de fase, etc.

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CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS AEREA La onda aérea es la onda de presión que va asociada a la detonación, mientras que el ruido es la parte audible e infrasónica del espectro. Las fuentes de estas perturbaciones son las siguientes de acuerdo a Wiss y Linehan (1778):

1. 2. 3.

4. 5. 6.

Movimiento del terreno probado por la explosión Escape de los gases por el barreno al proyectarse el retacado. Escape de los gases a través de las grietas creados en el frente del macizo rocosa. Detonación del cordón iniciador a aire libre. Desplazamiento del frente del banco al progresar la voladura. Colisión entre los fragmentos proyectos.

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INSTRUMENTACIÓN DE REGISTRO Y ANÁLISIS DE VIBRACIONES Y ONDA AEREA Para realizar un estudio de vibraciones y onda aérea es preciso disponer de la instrumentación adecuada. Esta suele estar constituida por:

-

Una cadena de medida para la detección y registro de las perturbaciones sobre el terreno, y Una cadena de tratamiento, para el análisis de las señales registradas

Equipos de registro y análisis: La cadena de registro está compuesta por diversos elementos que realizan las siguientes funciones:

-

La detección por los captadores. La transmisión de las señales eléctricas emitidas por los captadores a través de cables conductores y El registro de las señales con un sismógrafo para su estudio y análisis posterior.

En cuanto a los captadores de las vibraciones, los que más se utilizan son los geófonos o velocímetros y los acelerómetros. Los primeros son los más populares, por cuanto la velocidad de partícula es el parámetro que ha venido utilizándose para correlacionar las vibraciones con los daños producidos por las voladuras.

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1. Control de vibraciones con el uso de sismógrafo. 2. Usando diseños de voladuras para controlar vibraciones. 3. Tipos de sismógrafos, monitoreo sísmicos. 4. Unidades que imprimen resultados en papel. 5. Unidades de grabación de datos. 6. Desarrollando un programa de control y monitoreo de vibración. 7. Inspecciones un programa de control y monitoreo de Monitoreo Sísmico. 8.

Colocación de sismográficos.

9. Análisis de datos.

Predicción teórica de las vibraciones terrestres: Cuando no se dispone de instrumentación y equipos para realizar una campaña vibrográfica, la intensidad de las perturbaciones originadas por las voladuras puede predecirse con un modelo teórico, G. Serta (1985), teniendo en cuenta que la energía sísmica transmitida a la roca por el explosivo puede evaluarse con las siguientes dos expresiones:

Donde: A f Ds ρr VC

= Amplitud de la oscilación (m). = Frecuencia de la vibración (Hz). = Distancia de la carga al punto de registro (m). = Densidad de la roca (kg/m3). = Velocidad de propagación en el macizo rocoso (m/s).

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Tv nt

= Duración de la vibración (s). = Rendimiento de transmisión de energía. 

Carga apoyada nt < 0,4.



Carga en barreno con frente libre.



nt > 0,4.

n1 = Característica de impedancias de explosivo/roca.

           n2 = Característica de desacoplamiento de la carga.

     ET Q Ze Zr D d

= Energía específica del explosivo (MJ/kg). = Cantidad de explosivo (kg). = Impedancia del explosivo (kg. m-2.s-1). = Impedancia de la roca (kg. m-2.s-1). = Diámetro del barreno (mm). = Diámetro de la carga (mm).

Estimadores de onda aérea: La componente audible de la onda aérea, que es la parte del espectro comprendida entre 20 Hz y 20 kHz y que también es conocida como «ruido», se mide comúnmente en dB. El decibelio se define en términos de sobrepresión con la ecuación:

Donde: NR SP SPo

= Nivel de ruido. = Sobrepresión (N/m2). = Presión del menor sonido que puede ser escuchado (20 * 10-6 N/m 2).

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EFECTO DE LAS VIBRACIONES SOBRE LOS MACIZOS ROCOSOS Las vibraciones tienen un doble ámbito de actuación, por un lado afectar a la integridad de las rocas, y por otro, pueden llegar a provocar colapsos en los taludes al introducir acciones desestabilizadoras. Al primer aspecto, la velocidad crítica de vibración puede determinarse conociendo la velocidad de propagación de las ondas longitudinales en el macizo, la densidad y la resistencia a tracción de la roca.

    Donde: RT = Resistencia a tracción. = Densidad del medio. VC = Velocidad de propagación de las ondas longitudinales.



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RECOMENDACIONES PARA REDUCIR LOS NIVELES DE VIBRACION DEL TERRENO Y ONDA AEREA Aunque cada caso debe ser objeto de un análisis particular, se enumeran a continuación las principales medidas que pueden tomarse para aminorar las vibraciones generadas por las voladuras:

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Minimizar la carga de explosivo por unidad de microrretardo.

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Reducir el número de barrenos con detonadores instantáneos, ya que éstos presentan menor dispersión que los números más altos de la serie.

-

Elegir un tiempo de retardo entre barrenos y filas efectivas que evite una fuerte superposición de ondas y permita un buen desplazamiento de la roca.

-

Disponer la secuencia de iniciación de modo que ésta progrese desde el extremo más próximo a la estructura a proteger alejándose de la misma.

-

Utilizar el consumo específico adecuado, ya que una disminución de éste puede aumentar el confinamiento de las cargas y, por consiguiente, la intensidad de las vibraciones. Obviamente, un consumo excesivo da lugar a una sobrecarga innecesaria acompañada de grandes efectos perturbadores.

-

Disponer el esquema con una relación “H/B > 2".

-

Controlar la perforación para que las mallas coincidan con las nominales.

-

Emplear sobre perforaciones con las longitudes mínimas necesarias para un buen arranque.

-

Aumentar el confinamiento de las cargas de explosivo con longitudes de retacado grandes “>25D”, pero no excesivas, y emplear material inerte adecuado.

-

Evitar el empleo de cordón detonante, y cuando éste sea necesario cubrirlo con arena fina con un espesor mínimo de 7 a 10 cm.

-

No disparar las voladuras cuando la dirección del viento sea crítica.

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-

Seleccionar esquemas y secuencias que eviten el reforzamiento de ondas.

-

Inspeccionar el estado de los frentes antes de las voladuras para corregir las cargas en los barrenos con piedras menores que la s nominales.

-

Controlar la carga de explosivo en terrenos con coqueras para eliminar las concentraciones puntuales.

-

Disponer pantallas de tierra o vegetales entre las voladuras y los puntos receptores.

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APLICACIÓN: ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LAS VOLADURAS EN LA ZONA ESTE-DIAMANTE DEL TAJO ABIERTO RAÚL ROJAS MEDIANTE LA CAPTACIÓN DE IMÁGENES Y SU TRATAMIENTO INFORMÁTICO

Geología General: El yacimiento de Cerro de Pasco se localiza al lado Este de la chimenea volcánica y la falla longitudinal que separa las calizas Jurásicas de las filitas devonianas. La chimenea volcánica (aglomerado volcánico) compuesta por fragmentos de filitas, cuarcitas, calizas y pórfidos monzoníticos, dentro de una matriz fina conformadas por los mismos elementos, vidrio volcánico y cristales de rocas intrusivas

Estudio de las imágenes: Datos cualitativos: •

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Secuencia de encendido de los taladros de la voladura. Confinamiento y/o expulsión del taco. Primeros desplazamientos de la roca. Trayectoria de los fragmentos de roca. Comprobación del correcto funcionamiento de los accesorios de iniciación de las voladuras.

Datos cuantitativos: •

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Tiempos de retardo de los detonadores y/o conectores de superficie. Duración de la retención de los gases y escape de los mismos. Aceleración y velocidad de los fragmentos de roca incontrolados. Velocidad de elevación del terreno en la superficie del banco. Velocidad de expulsión del taco. Tiempos de respuesta del terreno desde el instante de detonación de las cargas. Tiempo total de lanzamiento de las proyecciones. Intervalo de desplazamiento de la roca fragmentada.

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El registro y análisis de estos datos conjuntamente con el esquema geométrico de la voladura, diseño de las cargas de explosivo de los taladros, y colocación de los accesorios posibilitará el estudio de los diversos aspectos que comprende un sistema de fragmentación dinámico (voladura) como: •

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Causa de posibles fallos por descabezamiento, mala colocación de detonadores, derivaciones de corriente, mal funcionamiento. Malas prácticas de carga e iniciación de los taladros. Efectos del agua, escape de gases, material del taco, coqueras, discontinuidades o fracturas en el frente, etc. Tiempos de retardo entre taladros y filas de la voladura apropiados para el buen desplazamiento y fragmentación de la roca. Sistemas de cebado óptimos. Fuentes productoras de bancos. Proyección deseada del material fragmentado. Combinación óptima de explosivo-roca y dimensión de la piedra o burden. Geometría final del escombro.

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Sistemas de grabación y tratamiento de imágenes: Para el caso de estudio de una voladura en el que se quiere efectuar su análisis y evaluación, y exponer a continuación los resultados, los componentes básicos serían. Computador multimedia de características: •

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Lectora CD ROM 52X, compatible Mode 1,2, CD-I, XA, Extra, DA, Photo-CD, CDR, RW Grabador RW 8x/4x/32x y DVD-ROM 8x (recomendable). Tarjeta compresora de video M-JPEG, si se utiliza una cámara de video analógica. 256 Mb de memoria, recomendable 512 Mb. Tarjeta de video de 32 Mb que soporte monitores VGA, DVI y ADC, recomendable 64 Mb. Disco duro de capacidad 40 Gb, recomendable ≥ 60 Gb. Monitor SVGA color 17”, resolución 1280x1024, distancia de punto de 0,27 mm, recomendable 22”. Software de edición de videos, audio y foto digital. Cámara de video compacta analógico, 20X (óptico), 450X (digital), recomendable digital y mayor zoom, y trípode. Grabador-reproductor, estéreo. Impresora a color, de resolución fotográfica

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Figura. Equipo básico para la evaluación digital de las voladuras, e imagen del monitor de alta resolución con las imágenes para el análisis mediante el software.

Procedimiento de trabajo: •

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Captación de la imagen Digitalización de las imágenes Análisis digital de la imagen Edición de los resultados

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APLICACIÓN AL ESTUDIO DE VOLADURA DE UN BANCO Las pruebas se llevaron a cabo en el Tajo Raúl Rojas, zona este, Plan Diamante, en bancos de 10 m, roca caliza y pacos. Los taladros son de 7 7/8” de diámetro perforados verticalmente, en malla cuadrada de 5 m x 5 m, y se iniciaron con el sistema no eléctrico fanel dual N°16, a lo largo del taladro con detonador de retardo en el fondo de 600 ms y en superficie de 42 ms; para el cebado en el fondo se utilizó booster HDP-1 de 0,45 kg. La secuencia de encendido, y los tiempos de retardo de la voladura se muestra en la figura.

La voladura estaba constituida por 50 taladros de producción y 15 taladros de recorte sin carga explosiva, con el objeto de amortiguar la onda de choque y reducir la sobre rotura por ser talud final. Los taladros de producción estaban cargados con una carga de fondo de 80 kg de heavy ANFO 55, y como carga de columna 100 kg de ANFO, con taco promedio de 6 m. Ya cargados todos los taladros y cebados en el fondo con los mismos retardos de 600 ms, la secuencia de las cargas se controla con los retardos (duales) de superficie de 42 ms.

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Análisis de las imágenes: En las imágenes extraídas del análisis de las voladuras, se ha seleccionado cuatro fotogramas de la voladura identificándose lo siguiente: 

•

El primer fotograma muestra dos caras libres del banco con uno de los frentes irregular, así como la detonación del conector de 0 ms e iluminación del tubo fanel (1).

La segunda imagen refleja la energetización final (fanel iluminado, 2) a los 1224 ms, habiéndose iniciado el movimiento del pie de talud de las primeras filas, iniciándose con los primeros taladros del lado oeste de acuerdo a los tiempos secuenciales, además del levantamiento del piso en ese sector.

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La tercera imagen presenta el inicio del colapso del banco (3), 1380 ms, como consecuencia de un mayor desplazamiento de la roca del tercio inferior, aproximadamente, del talud, y levantamiento del piso en todo el sector del banco, se debe apreciar que no se observa fumarolas de expulsión del material de los tacos de los taladros y gases, denotando un adecuado funcionamiento de ellos en la retención de los gases generados por el explosivo.

En la última imagen se observa la generación de algunos bancos (4), principalmente en el talud con geometría irregular, donde el burden por partes ha sido mayor para algunos taladros.

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CONCLUSIONES •

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De las observaciones realizadas mediante el análisis digital se puede determinar: Paredes irregulares tienden a generar bancos, más aún si la roca se halla alterada. Los riesgos de corte son nulos al levantarse el piso mucho después de energetizarse el diseño de voladura, gracias a los retardos de superficie usando sistemas tipo nonel. Derrumbamiento del banco por cebado en el fondo causado por desestabilización de la roca del pie de banco. Adecuado confinamiento del detritus del taco como consecuencia del uso de sistema tipo nonel, reduciendo la onda aérea. Una mejor fragmentación al cargar con cebado en el fondo, pues se aprovecha mejor la onda de choque generado, y mayor tiempo de retención de los gases que actúan sobre la roca fracturada. Mejor control de los efectos ambientales en relación a la ciudad ubicada muy cerca de la explotación, en lo que se refiere a onda aérea, proyección de roca, vibraciones, gases.

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Control de Vibraciones

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