CONTROL DE VIBRACIONES INDUCIDAS POR VOLADURA EN CAMPO LEJANO S e r v i c i o s Té c n i c o s d e I n g e n i e r í a D a v e y B i c k f o r d Sipervor XII S i m p o s i o I n t e r n a c i o n a l d e P e r f o r a c i o n y V o l a d u ra d e R o c a s Noviembre, 2013 Lima, Peru
Balanceando Fuerzas Encontradas
Balanceando Fuerzas Encontradas
T r a n s fe fe r e n c i a d e e n e r g i a Es un hecho de la causa que no toda la energía de la voladura se consume en forma productiva, fragmentando y desplazando la pila de roca Una fracción de esta energía escapa de la zona inmediata alrededor de la voladura y la mina/cantera La transferencia de esta energía se traduce en ondas que se propagan, a través de varios cientos de metros (si no más lejos) y afecta a las comunas, instalaciones e infraestructuras aledañas
Energía de vibración en el suelo
Energía de vibración en el aire
Es necesario lograr controlar el traspaso de la energía al macizo rocoso para poder mantener un equilibrio entre el desempeño de la operación y el buen comportamiento cívico de la empresa
T r a n s fe fe r e n c i a d e e n e r g i a
Opciones de Control Mediante parámetros de diseño
Perforación •
•
Explosivo •
•
Malla Diámetro
Forma de cargar (distribución espacial) Retención (taco)
Tiempo •
•
Secuencia Tecnología
VIBRACIÓN EN CAMPO LEJANO
Vibración terrestres No se consume toda la energía de la voladura en el campo cercano, fragmentando y desplazando Inevitablemente una fracción se propaga más allá de los límites de la mina/cantera
La intensidad de la vibración puede dañar estructuras y molestar los vecinos Si los vecinos son abogados; la vida se pone muy interesante, muy rápidamente Pero hay medidas de control …
Vibración terrestres Controlar vibración significa controlar la transmisión de energía al punto de interés Vivienda Oficinas Iglesias u otras estructuras históricas
Controlar la cantidad de energía liberada por unidad de tiempo Controlar la cantidad de energía
•
Diámetro, largo, tipo de carga explosiva
Controlar el tiempo
•
Retardos, tiempos, tecnología
Cada medida de control exige más y mayor gasto o sacrificio de tiempo – predicción de eficacia de las medidas es de primordial importancia
Normas de Vibración Hoy en día la vía para controlar el impacto de las vibraciones en el campo lejano pasa por la medición y el modelamiento – predicción y remediación a priori Teniendo una clara descripción (cuantitativa) de la voladura y su impacto – se puede construir modelos para simular expectativas según características del diseño Para ocupar el proceso de modelamiento y predicción de niveles y características de vibración, es necesario contar con límites claros y explícitos con los cuales la voladura debe cumplir Existe una variedad de Normas Internacionales que intentan describir el contexto de límites cuantitativos con los cuales las operaciones mineras, canteras y hasta proyectos de construcción involucrando la voladura, deben cumplir cabalmente
Normas de Vibración Norma Española UNE 22-381-93 Norma Sueca – Swedish Standard – SS 460 48 66 Norma Alemana DIN 4450 USBM Recommendation RI 8057 Australian Standard AS 2187.2-1983
SPCC – Environmental Noise Control Manual
V i b r a c i ó n – N o r m a s - E s p a ñ o l a
TIPO DE ESTRUCTURA I II III
FRECUENCIAS PRINCIPALES ( 2 - 15) ( 15 - 75) ( > 75) VELOCIDAD (MM/S) DESPLAZAMIENTO (MM) VELOCIDAD (MM/S) 20 0.212 100 9 0.095 45 4 0 042 20
V i b r a c i ó n – N o r m a s - S u e c a PPVlim = Vo x Fk x Fd x Ft Donde; Vo
=
velocidad característica
=
Vp/65
=
factor de calidad de construcción
=
función de tipo de estructura y materiales
Fd
=
factor de distancia (incluyendo tipo de suelo)
Fk
=
factor relacionado con tiempo de permanencia
Fk
del proyecto; proyectos cortos – niveles mayores
V i b r a c i ó n – N o r m a s – D I N 4 4 5 0
Límite absoluto de 8mm/s para estructuras más expuestos
V i b r a c i ó n – N o r m a s – U S B M R I 8 5 0 7
RI 8507 Frequency Plot 100
) s 10 / m m ( V P P 1
0.1 1
10
Frequency (Hz)
100
V i b r a c i ó n – N o r m a s – A S 2 1 8 7 . 2 - 1 9 8 3
Tipo de Estructura
PPV mm/s
Edificios históricos y monumentos de alto valor o significado
2.0
Casas y edificios residenciales
10.0
Edificios comerciales e industriales o estructuras construidas de concreto reforzado o acero
25.0
V i b r a c i ó n – N o r m a s – S P C C * ( 1 9 8 5 ) Tiempo de Voladura
Sobre-presión (dB)
PPV (mm/s)
Lunes Sábado
06:00
–
09:00
105
2.0
Lunes Sábado
09:00
–
15:00
115
5.0
Lunes Sábado
15:00
–
20:00
105
2.0
Domingo y Feriados
06:00
–
20:00
95
1.0
Todos los días
20:00
–
06:00
95
1.0
–
–
–
* SPCC = Comisión Estatal de Control de Contaminación
Comparando Valores Actividad
PPV mm/s
Pasos, caminando
0.8
Saltando
7.1
“Portazo”
12.7
Martillando clavos
22.4
Activades ambientales (tráfico, etc.) Voladuras
Percepción varía según edad, salud, hora del día, etc.
30 - 76 1 - 12
Modelamiento de Vibración Hoy en día la vía para controlar el impacto de vibración en el campo lejano pasa por medición y modelamiento – predicción y remediación Teniendo una clara descripción (cuantitativa) de la voladura y su impacto – se puede construir modelos para simular expectativas según características del diseño Así se puede evaluar los méritos de estrategias alternativas para aminorar el problema Y mantener en operación nuestra operación y fuente de empleo
V i b ra c i ó n e n e l C a m p o L e j a n o
Modelamiento de Vibración Registros de vibración, “onda elemental”, describen la respuesta del
macizo rocoso a una carga solitaria y definida La combinación de una serie de estas ondas elementales provee una estimación confiable del resultado final Experimentos han mostrado un alto grado de reproducibilidad en las características de la onda elemental – la “huella digital” vibracional de la carga Y mantener en operación nuestra faena y fuente de empleo
Modelamiento de Vibración Partiendo de una base de señales de vibración generadas por cargas solitarias e identificables (distancia, cantidad de carga, geometría)
Mina Perdida 1.0
e 0.8 Mina Perdida d u 0.6 t i l 1.0 p 0.4 m 0.2 e 0.8 Mina Perdida d A u 0.6 d 0.0 i t l e 1.0 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.4 -0.2 s p i l a -0.4 m 0.2 e 0.8 Mina Perdida d A m u 0.6 r -0.6 d 0.0 t i o l e 1.0 0.000 0.010 0.015 0.020 0.0 25 0.0 30 0 .0 35 0 .0 40 s -0.2 p 0.4 0.005 N -0.8 i l m e Mina Perdida -1.0 a -0.4 A 0.2 d 0.8 m u r -0.6 d 0.0 t 0.6 i o Time (sec) l e 1.0 0.000 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 s -0.2 p 0.4 0.005 N -0.8 i l m e 0.8 -1.0 a -0.4 A 0.2 d m u 0.6 r -0.6 d 0.0 t i o Time (sec) l e 0.000 0.010 0.015 0.020 0.0 25 0.0 30 0 .0 35 0 .0 40 s -0.2 p 0.4 0.005 N -0.8 i l m -1.0 a -0.4 A 0.2 m r 0.0 -0.6 d o Time (sec) e 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 s -0.2 N -0.8 i l a -1.0
-0.4
m r -0.6 o N -0.8
Time (sec)
-1.0
Time (sec)
De esta manera se puede simular un rango muy amplio de geometrías, distancias, y formas de volar – tanto en el campo cercano como en el campo lejano
0.040
La superposición de la tren de ondas “semillas” se realiza en
base de tiempos de iniciación y geometría relativa entre voladura y punto de interés (medición y simulación) 20000 15000 10000 5000 0 0 -5000 -10000
500
1000
1500
2000
Reproducibilidad de Ondas Elementales
Una serie de mediciones en el mismo punto Con la misma instrumentación Cuantificando la vibración producida por cargas casi idénticas A la misma distancia Alto grado de confianza
Modelamiento de Vibración La onda elemental representa la mínima intensidad de vibración esperable, producto de
Tipo y cantidad de explosivo Diámetro de barreno Largo de barreno Distancia al punto de medición Características del macizo rocoso (atenuación, V P)
La combinación sumatoria de las ondas elementales aumentará el nivel de vibración según
Cantidad de barrenos (no. de filas, no. de barrenos por fila) Retardos (tiempos absolutos, calidad de dispersión – pirotécnico vs. electrónico) Geometría de la voladura y dirección hacia el punto de interés Secuencia de salida y dirección de iniciación
Estudiamos un Caso de Estudio para explorar la potencial para controlar la intensidad de vibración en el campo lejano
Caso de Estudio Cantera “Mina de la Discordia”
Caliza Bancos de 18m Barrenos de 140mm Roca mediana – dura, competente Malla – 5.0m x 4.0m F.C. ~ 225g/t Voladuras de 4 filas Tiempos pirotécnicos – 25ms,42ms,500ms 626
651
676
701
726
751
776
801
826
851
876
901
926
951
976
584
609
634
659
684
709
734
759
784
809
834
859
884
909
934
542
567
592
617
642
667
692
717
742
767
792
817
842
867
892
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
►
Caso de Estudio Cantera “Mina de la Discordia”
Carga/Fragmentación Muckpile Fragmentation Distribution BlasFrag Prediction 100% 4.5 m stem
90% 80% 70%
11.0m (135 kg)
g n 60% i s s 50% a P % 40%
30% 20% 4.0 m (70 kg) Em 1.15
10% 0%
205 kg Expl.
10
100
1000
Particle Size (mm)
10000
Caso de Estudio Cantera “Mina de la Discordia”
Definir el punto de monitoreo
Distancia, dirección, punto de iniciación 0°
+45°
-45°
-90°
►
+90°
Caso de Estudio Características generales de la voladura – Caso Base Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (25ms/42ms/500ms)
PPV (mm/s) 50 45 40 35 30
RI 8507 Frequency Plot
25 20 15 10
100
5 0 -90
) s 10 / m m ( V P P 1
-60
-30
0
30
60
90
Direction (degrees) Simulations
NPS
30 20
0.1 1
10
Frequency (Hz)
100
) s 10 / m m 0 ( V 600 P P -10
1600
2600
-20 -30
27 ± 5 mm/s
-40
Time (ms)
3600
Caso de Estudio Características generales de la voladura – Variante 1 Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (17ms/100ms/500ms)
PPV (mm/s) 60 50 40
RI 8507 Frequency Plot
30 20
100
10 0 -90
-60
-30
0
30
60
90
Direction (degrees)
) s 10 / m m ( V P P 1
Simulations
NPS
20 15
0.1 1
10
Frequency (Hz)
100
) 10 s / m 5 m ( V 0 P P 600 -5
1600
2600
-10 -15
25 ± 6 mm/s
-20
Time (ms)
3600
Caso de Estudio Características generales de la voladura – Variante 2
Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (17ms/100ms/500ms)
Invertir dirección de iniciación
PPV (mm/s) 60 50 40
RI 8507 Frequency Plot
30 20
100
10 0 -90
) s 10 / m m ( V P P 1
-60
-30
0
30
60
90
Direction (degrees) Simulations
NPS
30 20 ) s / m 10 m (
0.1 1
10
Frequency (Hz)
100
V P P
0 600
1600
2600
-10 -20
25 ± 4 mm/s
-30
Time (ms)
3600
Caso de Estudio Una alternativa válida es la de dividir la carga explosiva en dos “decks”, separados por un taco
intermedio Si bien implica más trabajo (conseguir y cargar el taco, interrumpir el proceso de carguío explosivo) y mayor gasto en accesorios (dos cebos en vez de uno – o cuatro en vez de dos) se puede estudiar la opción Partiendo con un retardo de 9ms entre decks
20.0 4.5m stem 15.0 94 kg expl. 10.0 1.5 m stem 5.0 94 kg expl. 0.0
Row #1
Row #2
Row #3
Row #4
Caso de Estudio Características generales de la voladura – Variante 3 Dos decks por barreno (9ms entre decks) Iniciación pirotécnica (9ms/17ms/100ms/500ms)
PPV (mm/s) 35 30 25
RI 8507 Frequency Plot
20 15 10
100
5 0 -90
) s 10 / m m ( V P P 1
-60
-30
0
30
60
90
Direction (degrees) Simulations
NPS
30 20
0.1 1
10
Frequency (Hz)
100
) s 10 / m m 0 ( V 600 P P -10
1600
2600
-20 -30
18 ± 4 mm/s
-40
Time (ms)
3600
Caso de Estudio Eligiendo distintas combinaciones de retardos en forma aleatoria parece no entregar una respuesta rápida ni muy útil Se requiere investigar una gama amplia de alternativas; una “búsqueda” de la
combinación óptima Veamos …
O p t i m i ze T i m i n g Min. I-H Delay
9 ms
Min. Deck Delay
7 ms
Max. I-H Delay
35 ms
Max. Deck Delay
13 ms
Min. I-R Delay
70 ms
Max. I-R Delay
120 ms
Caso de Estudio Características generales de la voladura – Variante 4 La búsqueda sugiere un cambio de retardos Iniciación pirotécnica (10ms/25ms/100ms/500ms)
PPV (mm/s) 30 25 20
RI 8507 Frequency Plot
15 10
100
5 0 -90
) s / m m ( V P P
-60
-30
0
30
60
90
Direction (degrees)
10
Simulations
NPS
20 1
15 ) 10 s / m 5 m (
0.1 1
10
Frequency (Hz)
100
V P P
0 600 -5
1600
2600
-10 -15
16 ± 3 mm/s
-20
Time (ms)
3600
Caso de Estudio Por medio de separar la carga en dos (reduciendo la carga instantánea – kg) se ha logrado reducir la vibración desde 27mm/s a 16mm/s El costo de realizar este ajuste está en el gasto en accesorios y tiempo necesario para cargar la voladura Si la reducción en nivel de vibración aún no es suficiente entonces se debe seguir experimentando ¿Opciones?
¿3 Decks? •
Costo en accesorios y (por sobre todo) tiempo y eficiencia puede ser muy alto
¿Iniciación electrónica? •
Veamos….
Caso de Estudio El algoritmo de búsqueda puede incluir los efectos de la mayor precisión, exactitud y flexibilidad otorgada por sistemas de iniciación electrónica Punto clave: la flexibilidad de escoger una combinación de tiempos de retardo abre dimensiones de pruebas no disponibles en el mundo pirotécnico Como resultado de la búsqueda previamente mencionado se sugiere una combinación de 13ms/26ms/118ms (el retardo de 500ms al fondo del barreno no tiene importancia).
Caso de Estudio Características generales de la voladura – Variante 5
Iniciación electrónica (13ms/26ms/118ms) Seguimos con dos decks separados Los resultados son notables RI 8507 Z Curve: 13 / 26 / 118 ms
Delays: 13 / 26 / 118 ms
100
6 4
) s / m m ( V P P
2 ) s / m 0 m 0 ( V -2 P P -4
10
1
1000
2000
3000
-6 0.1 1
10
100
-8
Time (ms)
Frequency (Hz)
4.4 ± 0.4 mm/s
4000
5000
Caso de Estudio Características generales de la voladura – Variante 5
Iniciación electrónica (13ms/26ms/118ms) Seguimos con dos decks separados Los resultados son notables RI 8507 Z Curve: 13 / 26 / 118 ms
Delays: 13 / 26 / 118 ms
100
6 4
) s / m m ( V P P
2 ) s / m 0 m 0 ( V -2 P P -4
10
1
1000
2000
3000
-6 0.1 1
10
100
-8
Time (ms)
Frequency (Hz)
4.4 ± 0.4 mm/s
4000
5000
Beneficios de Optimizar (reducir) Niveles de V i b ra c i o n e n e l C a m p o L e j a n o Mejorar relaciones con comunas vecinas
Evitar acción social, recursos de protección, etc.
Permitir la explotación de mayores porcentaje de recursos naturales (minimizar “esterilización”)
Cuando los cuerpos mineralizados se extienden hacia los pueblos vecinos y se requiere dejar una zona de “buffer” esterilizada
Facilitar permisos para desarrollar nuevos proyectos
Autoridades gubernamentales pueden revocar permisos si hay dudas respecto a las influencias dañinas entre un proyecto y otro proyecto vecino
Facilitar la coordinación del desarrollo de proyectos adyacentes dentro de la misma propiedad minera
Ej.: La interacción entre la explotación de una operación de superficie y el desarrollo de una nueva mina subterránea, por parte de la misma minera
ONDA EXPANSI VA - A IRBLA ST La vibración menos esperada
Airblast “Ruido” es la manifestación de la vibración área en contacto con un las
partículas de un medio “Airblast ” = Sobrepresión de aire inducida por voladura
Frecuentemente la fuente real de la molestia vecinal Medible (micrófonos) “Modelable” y controlable
Medidas:
Sistemas de iniciación Secuencia de salida Implementación de taco Filosofía operacional de voladura
Factores Causantes de la Onda Expansiva Pulso de Presión de la Roca – relacionado con el área de la cara libre (y altura del banco)
Escape de gases por estructuras Escape de gases por eyección del taco
Uso de cordón detonante
Superficie
En el barreno : disrupción del taco (escape prematuro de gases)
Fuentes de la Onda Expansiva
M e d i c i ó n d e l a O n d a E x p a n s i va La sobre-presión en el aire es mucho más que el sonido audible Para voladuras la mayoría de la energía se encuentra en la banda de frecuencias debajo de 20Hz (inaudible para seres humanos) Por ende, no se puede medir con micrófonos convencionales Se mide en dB (decibeles) lineal
Po
20 10
6
Pa
Po representa el umbral de audibilidad y es igual a 0 dB
O n d a E x p a n s i v a – N o r m a s – S P C C * ( 1 9 8 5 ) Tiempo de Voladura
Sobre-presión (dB)
PPV (mm/s)
Lunes
–
Sábado
09:00
–
15:00
115
5.0
Lunes
–
Sábado
06:00
–
09:00
105
2.0
Lunes
–
Sábado
15:00
–
20:00
105
2.0
Domingo y Feriados
06:00
–
20:00
95
1.0
Todos los días
20:00
–
06:00
95
1.0
* SPCC = Comisión Estatal de Control de Contaminación
La Percepción Humana La percepción humana es mucho más sensible que el efecto físico y real sobre estructuras El elemento de sorpresa y “susto” es muy relevante
La sobre-presión empieza a molestar mucho antes de se puede dañar Percepción de elementos transientes es más notable que para fuentes constantes (y familiares) La percepción humana se relaciona con varios temas, incluyendo (sin ser restringido a) intensidad absoluta (PPV), el contenido de frecuencia de la vibración, la duración del evento de voladura y la hora del día Optimizar tomando en cuenta todos estos aspectos es complejo pero es nuestra misión
Fuentes Cotidianas
Po
20 10
6
Pa
Airbast es una presión, dimensionalmente equivalente a un esfuerzo La medición de presión del aire incluye frecuencias no audibles (‹ 20Hz)
M e d i c i ó n d e l a O n d a E x p a n s i va El nivel de dispersión o variabilidad estadística en mediciones de sobre-presión es más alto que para vibraciones Elementos que escapan del control de la voladura afectan más a la sobrepresión que a la vibración Eyección de taco Escape de gases por la cara libre Aspectos del medio ambiente (clima)
•
•
•
Viento Nubosidad Humedad
Aún así se puede medir tendencias y modelar
M e d i c i ó n d e l a O n d a E x p a n s i v a : V i e n to
M e d i c i ó n d e l a O n d a E x p a n s i v a : V i e n to
Richards y Howarth, 2009
Factores de Mitigación Evitar el uso de cordón detonante
En la superficie provoca ruido de alta frecuencia En el barreno causa disrupción del taco y promueve escape prematura de gases
Usar taco adecuado Orientación de la cara libre (dentro de lo posible) Seleccionar punto y dirección de iniciación (dentro de lo posible) Considerar la altura del banco – o longitud de la carga Control sobre distancia entre primera fila y la cara libre (considerar medición de perfiles de cara libre)
Modelando para definir tendencias Asumiendo un buen nivel de control sobre aspectos de calidad de implementación del diseño
Taco Cara libre Cordón detonante, etc.
Fuente importante de sobre-presión es el efecto de vibración de la cara libre DB tiene capacidad de modelar tendencias en este fenómeno Revisamos algunos de estos aspectos
Modelando para definir tendencias: Retardos entre pozos Diámetro de Barreno = 115mm, ANFO, 100kg, Longitud de carga = 12m
Efecto de Retardos 130 120 ) B 110 d ( n ó i 100 s e r P - 90 e r b o 80 S
70 60 9
17
25 Retardo (ms) Efecto de Retardos
42
65
Modelando para definir tendencias: Dirección de Iniciación Diámetro de Barreno = 115mm, ANFO, 100kg, Longitud de carga = 12m
Dirección de Iniciación 130 120 110 100 90 80 70 60 Sur a Norte
Norte a Sur
Dirección de Iniciación
Centro
Conclusiones Finales La voladura perfecta no existe La voladura óptima es un ejercicio de compromiso – balance entre una cantidad grande y variable de “clientes”
Según la ubicación física de la operación y la naturaleza del producto que la compañía comercializa, algunos clientes estarán más presentes que otros; puede ser que algunos ni siquiera se hacen presente Cuando hay contradicción y conflicto entre los deseos y necesidades de los clientes se hace necesario priorizar entre los más importantes o amenazantes Tecnología existe para evaluar los resultados de cada diseño y entregar pronósticos de los resultados en términos cuantitativos, pero la elección de la estrategia optimizada depende aún en el juicio profesional de los ingenieros de perforación y voladura
Conclusiones Finales La superposición de ondas de vibración es el método principal detrás de todas las técnicas de modelamiento de vibración por la vía de onda elemental La mayoría, tal vez todas las herramientas que ejecutan este tipo de trabajo serán similares en cuanto a esta característica El resultado final que se consigue depende de los tiempos con los cuales cada pulso de vibración arriba al punto de interés o síntesis de la tren de vibración final Estos tiempos dependen de los retardos elegidos pero también de la dirección de iniciación, la distancia entre sensor (punto de interés) y cada carga, la Vp del macizo rocoso y también la forma de la secuencia de iniciación (echelon, V1, V2, etc.) Estas dependencias significan que se puede conseguir una solución por cualquier voladura (incluyendo soluciones de compromiso entre dos o tres puntos de interés simultáneamente) pero se tiene que entender que esta solución solamente tendrá relevancia y validez para la secuencia de iniciación elegida
