CONTENIDO
I.
OBJETIVOS ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................. ............................ ..... 2
II. INTRODUCIÓN............................................. ................................................................... ............................................ ........................................... ..................... 2 III. MARCO TEORICO.................................... TEORICO.......................................................... ............................................ ............................................. ........................... 2 3.1.
PERFORACION EN ROCA ........................... ................................................. ............................................. ...................................... ............... 2
3.2.
VOLADURA ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. .......................3
3.3.
VOLADURA SUPERFICIAL ........................................... .................................................................. ......................................... .................. 7
IV. CONCEPTOS GENERALES DE DISEÑO DE VOLADURAS VO LADURAS .................................. .................................. 12 V. CONCLUSIONES .......................................... ................................................................ ............................................ ......................................... ................... 16 VI. EJERCICIOS .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................. .......................... ... 17
INDICE DE IMÁGENES
Imagen 1 Parámetros de voladura .......................................... ................................................................ ............................................ ............................ ...... 10 Imagen 2 Voladura de banco nomenclatura.............................. nomenclatura.................................................... ............................................. ........................... 10 Imagen 3 Ciclo de excavación en un túnel .................................................. ......................................................................... ............................ ..... 11 Imagen 4 Altura de banco ............................... ..................................................... ............................................. .............................................. ............................ ..... 12 Imagen 5 Incidencia de la inclinación de perforación .................................... .......................................................... ......................... ... 13
DISEÑO DE VOLADURA SUPERFICIAL I.
OBJETIVOS
II.
Conocer un concepto básico de lo que significa voladura superficial.
Saber cuáles son los criterios necesarios para el diseño. di seño.
INTRODUCIÓN
Bajo suposiciones generales, la complejidad de los registros de vibraciones (obtenidos en un sitio lejano al lugar de la explosión) generadas por voladuras se debe a varios aspectos, entre ellos: la fuente (proceso de voladura en sí), el camino o trayectoria que las ondas recorren y el tipo de sensor con el que se miden. Aunque las vibraciones producidas por voladuras no son tan complejas como las producidas por un sismo (en el cual la fuente es desconocida y cuyos registros son obtenidos generalmente a grandes distancias y con trayectorias mucho más complejos), estas vibraciones si tienen algunas variables en el proceso de voladura la fuente que lo hacen no trivial. Para entender los procesos de las voladuras que influyen en la generación de vibraciones, es indispensable el estudio, aunque sea a nivel básico, de los materiales y métodos utilizados. En este anexo se presenta a manera de introducción y de forma muy general, el tema de los explosivos y sus propiedades, las clases de explosivos utilizadas en trabajos de minería superficial y algunos conceptos básicos sobre las técnicas utilizadas en voladuras.
III.
MARCO TEORICO PERFORACION EN ROCA La perforación es la primera operación en la preparación de una voladura. Su propósito es el de abrir en la roca huecos cilíndricos destinados a alojar al explosivo y sus accesorios iniciadores, denominados taladros, barrenos, hoyos o blast holes. Esta operación es necesaria para logar el confinamiento del explosivo y aprovechar mejor las fuerzas expansivas. Se basa en principios mecánicos de percusión y rotación, cuyos efectos de golpes y fricción
producen el astilla miento y trituración de la roca en un área equivalente al diámetro de la
roca y hasta una profundidad dada por la longitud del barreno utilizado. La eficiencia en perforación consiste consiste en lograr la máxima penetración al menor menor costo (Centro Tecnológico Tecnológico de Voladura EXSA S. A, 2009). Los métodos de perforación más empleados son los métodos rotativos y rotopercutivos (Franca, 2012). Siendo este último el sistema más clásico de perforación de barrenos. La perforación a roto percusión se basa en la combinación de las siguientes acciones: percusión, rotación, rotación, empuje y barrido (Wang et al., 2010). 2010). La operación de perforación depende directamente de la dureza y abrasividad de la roca (Correa, 2009). La fragmentación de la roca se considera el parámetro más importante en las operaciones de minería a causa de sus efectos directos sobre los de perforación y voladuras. La resistencia resistencia de la roca determina el método o medio de perforación a emplear: rotación simple o roto percusión. Por lo l o general cuanto más blanda sea la roca mayor ma yor debe ser la velocidad de perforación. Por otro lado, cuanto más resistente sea a la compresión, mayor fuerza y torque serán necesarias para perforarla Centro Tecnológico de Voladura EXSA S.A (2009).
VOLADURA El propósito principal de la operación de voladura es la fragmentación de la roca y para esto se requiere de una gran cantidad de explosivos. Los explosivos liberan una gran cantidad de energía durante la explosión, en donde, sólo el 20-30% es utilizada para la ruptura y el desplazamiento de las rocas, mientras que el resto de esta energía es desperdicia en forma de efectos secundarios ambientales. La voladura se puede definir como la ignición de una carga masiva de explosivos. El proceso de voladura voladura comprende comprende el cargue de de los huecos hechos en la perforación. Con una sustancia explosiva, que al entrar en acción origina una onda de choque y, mediante una reacción, libera gases a una alta presión y temperatura de una forma substancialmente instantánea, para arrancar, fracturar o remover una cantidad de material según los parámetros de diseño de la voladura voladura misma. La fragmentación de rocas por voladura comprende a la acción de un explosivo y a la consecuente respuesta de la masa de roca circundante, involucrando factores de tiempo, energía termodinámica, ondas de presión, mecánica de rocas y otros, en un rápido y complejo mecanismo de iteración
La fragmentación del macizo rocoso es causada inmediatamente después de la detonación. El efecto de impacto de la onda de choque y de los gases en rápida expansión sobre la pared del taladro, se transfiere a la roca circundante, difundiéndose a través de ella en forma de ondas o fuerzas de compresión, provocándole solo deformación elástica, ya que las rocas son muy resistentes a la compresión. Al llegar estas ondas a la cara libre en el frente de voladura causan esfuerzos de tensión en la masa de roca, entre la cara libre y el taladro. Si la resistencia a la tensión de la l a roca es excedida, esta se rompe en el área de la línea de menos resistencia (burden). En este caso las ondas reflejadas son ondas de tensión que retornan al punto de origen creando fisuras y grietas de tensión a partir de los puntos y planos de debilidad naturales existentes, agrietándola profundamente (efecto de craquelación). Casi simultáneamente, el volumen de gases liberados y en expansión penetra en las gritas iniciales ampliándolas por acción de cuña y creando otras nuevas, con la que se produce la fragmentación efectiva de la roca. Si la distancia entre el taladro y la cara libre está correctamente calculada la roca entre ambos puntos cederá. Luego los gases remanentes desplazan rápidamente rápidamente la masa de material triturado hacia adelante, hasta perder su fuerza por enfriamiento y por aumento del volumen de la cavidad formada en la roca. En este momento en que los fragmentos o detritos caen y se acumulan para formar la pila de escombros o material volado. Concluyendo de esta forma el proceso de voladura. CARACTERISCAS Y PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS: a) Balance de oxígeno.- Al ser la reacción explosiva, generalmente una reacción del tipo reacción de tipo redox (oxidación-reducción) de gran importancia que la composición de explosivo este equilibrado, es decir exista exceso o defecto oxígeno, ya que, en el caso de existir. b) Calor desarrollado en la explosión.- Como ya se ha indicado, la reacción de un explosión es exotérmica y la energía liberada consume en calentar los gases a. Un aumento de la energía de un explosivo trae consigo una mejora de las características del explosivo. c) Temperatura de la explosión.- Es la temperatura que alcanzan los gases de la explosión en el volumen inicial del explosivo. En la práctica no existe una descomposición directa del explosivo en los gases finales conocidos sino que existen unos compuestos intermedios que desaparecen desaparecen
una vez que disminuye la presión y la temperatura para dar los gases finales. Además siempre existen pérdidas de calor por radiación y al no existir el confinamiento ideal de los explosivos que se presupone. La temperatura de la explosión es un parámetro crítico en los llamados l lamados explosivos seguridad. En efecto, cuando la atmósfera donde se va a emplear el explosivo es inflamable, es necesario que los gases de la explosión nunca alcancen una temperatura crítica que podemos inflamar la atmósfera circundante. Por ello, en el empleo de los explosivos de seguridad en atmósferas inflamables o explosivas hay que cuidar que la temperatura de la explosión nunca supere un determinado umbral. d) Presión de detonación.- La presión de detonación puede estimarse de forma simplificada por la expresión
= 2 Donde:
: Densidad de explosivo Va: Velocidad de detonación del explosivo e) Velocidad de detonación.- Es la velocidad con que la onda explosiva se propaga a través del explosivo. Los explosivos industriales tienen velocidades de detonación comprendidas entre 2.000 y 8.000 mis, empleándose de mayor o menor velocidad según el tipo de roca a volar. De ahí la importancia de la elección del explosivo, para obtener los resultados que se pretenden. f) Potencia del explosivo. Poder rompedor.- La potencia de un explosivo es el cociente entre la energía liberada y el tiempo que tarda en cederla. En cuanto al poder rompedor, es una característica del explosivo que nos indica la capacidad de quebrantar la roca debida a la onda de detonación y no al conjunto de la onda de detonación más la presión pr esión de los gases, que es medida por la potencia. El poder rompedor es un parámetro muy importante para los explosivos de uso no confinado cuyos gases no pueden ejercer grandes presiones. Tal es el caso de 1as cargas huecas, las cargas para taqueo y parte de los explosivos militares.
g) Estabilidad química.- La conservación de los explosivos industriales, teniendo en cuenta la calidad tanto del envasado como del embalaje, no presenta especiales problemas, siempre y cuando, se cumplan unas condiciones mínimas de almacenamiento. No obstante, la vida de un explosivo industrial es limitada y por tanto, es preciso utilizar los explosivos antes de que envejezcan. Como orientación podemos indicar que en condiciones normales de almacenamiento las gelatinas explosivas se mantienen en buen estado por períodos no inferiores al año. Los explosivos pulverulentos muy amoniacales tienen una vida comprendida entre ocho y doce meses. Con los explosivos de seguridad antigrisú, debe procurarse que no excedan en su almacenamiento un determinado número de meses, establecidos por las normativas oficiales. h) Aptitud a la propagación de la detonación.- Esta característica se refiere a la determinación de la máxima distancia en que un cartucho cebo, hace detonar a otro cartucho receptor, colocados en línea según su eje axial. Este parámetro aumenta considerablemente cuando se desarrolla dentro del barreno, pero los resultados obtenidos tanto al aire, aire, como como sobre sobre una placa de hierro, hierro, nos servirán para comprobar en el laboratorio, el grado de sensibilidad del explosivo antes de su utilización. Son varios los factores que pueden modificar su resultado: el envejecimiento del explosivo, el calibre de los cartuchos (masa explosiva) y el método utilizado para la prueba. Con el envejecimiento decrece rápidamente la propagación; en los explosivos pulverulentos la simple aglomeración de la pasta, es motivo para una pérdida de propagación que es fácilmente corregible por la simple presión del cartucho entre las manos. i) Sensibilidad.- La sensibilidad de un explosivo, se puede definir como el mayor o menor grado de energía que necesita que se le comunique para que se produzca su explosión. j) Dentro de la sensibilidad de un explosivo, se pueden definir diferentes tipos, algunos de los cuales son deseables dentro del producto (cualidades positivas), y otros no lo son (cualidades negativas). negativas). Estos tipos de sensibilidad son: - Sensibilidad al detonador. - Sensibilidad a la onda explosiva. - Sensibilidad ~I choque.
- Sensibilidad al rozamiento. Así, dentro de estos cuatro tipos de sensibilidad, puede decirse que las dos primerasson cualidades positivas, y las dos últimas, cualidades negativas del explosivo. k) Resistencia a bajas temperaturas.- Los problemas más graves por riesgo de accidentes, que presentaban las antiguas dinamitas, eran los de exudación y congelación. La primitiva dinamita estaba constituida por tierra de diatomeas empapada por nitroglicerina. En la actualidad la exudación queda eliminada al utilizarse en la mezcla explosiva, la nitroglicerina gelatinizada con la nitrocelulosa. En general todos los explosivos sufren una cierta insensibilidad a bajas temperatura por lo que en estas situaciones extremas, se recomienda la consulta con el fabricante
VOLADURA SUPERFICIAL Comprende: Bancos para explotación minera y preparación de agregados para construcción, excavaciones excavaciones en obras de ingeniería civil: zanjas, canales, cimentaciones. Obras de ingeniería vial: cortes a media ladera, terraplenes, piedra dimensionada para escolleras y otros. Pre-voladuras de aflojamiento para remover terreno sin desplazarlo, demoliciones y reducción de pedrones, voladura de máximo desplazamiento para proyectar un gran volumen de roca a distancia, voladura de cráter con taladros cortos de gran diámetro para desbroce. La voladura superficial se efectúa con dos o más caras libres a diferencia de la subterránea que tiene una sola cara libre.
Por su menor confinamiento el consumo de explosivos por metro cúbico de roca movida es mucho menor que en subterráneo. Igualmente, a mayor dimensión de voladura, menor consumo de explosivo. Condiciones básicas para voladura de superficie: •
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Alivio o cara libre inicial (relief). Relación de diámetro-burden-altura de cara libre. Distribución de los taladros (alignment). Tipo y distribución de la carga explosiva (charge). Secuencia de salidas (timming), para el despla-zamiento de los fragmentos, normalmente de retardo corto.
TIPOS DE DETONADORES Detonador inelectrico: Casquillo metálico con una carga explosiva en el extremo cerrado y en el otro el acceso a la mecha de seguridad Detonador eléctrico: Capsula metálica de cobre o aluminio cerrada en un extremo con un explosivo iniciador, un inflamador y un explosivo primario Detonador no eléctrico o tubo de impacto: Tubo hueco de plástico forrado con un capa delgada de HMX en las paredes interiores del tubo aun detonador no eléctrico. Detonador electrónico: Similar a la capsula del sistema eléctrico posee un condensador y un chip mediante el cual se programa. Según (Centro Tecnológico de Voladura EXSA S. A, 2009). TIPOS DE VOLADURA SUPERFFICIAL
Voladura convencional de bancos.
Voladura de máximo desplazamiento.
Voladura de cráter.
Voladura de bancos
Son excavaciones similares a escalones en el terreno con un mínimo mí nimo de dos caras libres. Según sus dimensiones pueden ser: •
•
Voladuras con taladros de pequeño diámetro, de 65 a 165 mm. Voladuras con taladros de gran diámetro, de 180 a 450 mm.
Según su aplicación pueden ser: •
Voladura convencional: Busca la máxima concentración, esponjamiento y desplazamiento del material roto (explotación minera).
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Voladura de escollera: Para obtener piedras de gran tamaño. Voladura de proyección (cast blasting): Para proyectar gran volumen de roca a gran distancia, usual en tajos de carbón.
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Tajos mineros subterráneos con dos caras libres: Como bresting, VCR, LHB. Son excavaciones excavaciones similares a escalones en el terreno con un mínimo de dos caras libres.
Parámetros Son las relaciones dimensionales entre las diferentes partes de un banco, siendo las principales.
Superficie del banco
Altura de banco
Diámetro de taladros
Burden
Espaciamiento
Profundidad del taladro
Sobre perforación
Longitud y distribución de columna explosiva
Longitud de taco
Volumen de roca a romper
Imagen 1Parámetros 1Parámetros de voladura voladura
Imagen 2 Voladura Voladura de banco nomenclatura nomenclatura
Factores que condicionan el avance de una voladura. * Tipo de roca y condiciones del terreno. * Condiciones de fisura miento del banco. * Equipo de perforación empleado (el diáme-tro de taladro es el parámetro básico). * Habilidad del personal. * Abastecimiento oportuno de materiales y equipos. * Carga manual o mecanizada de explosivos. * Tiempo disponible para la ejecución. * Uso final del material arrancado.
* Características del trazo, calidad de perfo-ración, tipo de explosivos y efectividad del sistema de iniciación. * Tipo y dimensiones del equipo de carguío y transporte del material roto. Ciclo básico de excavación El ciclo básico de excavación con perforación y voladura, comprende las siguientes fases:
Perforación de los taladros.
Cebado y carga de explosivo.
Tendido o amarre del sistema de iniciación.
Despeje del área de voladura.
Disparo.
Control de riesgos para el reingreso a la evaluación del disparo.
Retiro del material volado.
Ejemplo para un túnel.
Imagen 3 Ciclo de excavac excavación ión en un túnel
IV.
CONCEPTOS GENERALES DE DISEÑO DE VOLADURAS La descripción de las variables de diseño de las voladuras (variables de entrada) y el algoritmo empleando para el cálculo de los parámetros que acondicionan la operación de perforación y voladura. voladura. 4.1. Diámetro del pozo (D): es el diámetro con el que se construye el barreno de perforación, este depende principalmente del equipo que se emplea para su construcción (Centro Tecnológico de Voladura EXSA S. A, 2009). 4.2. Altura del banco: La altura de banco debe determinarse en función del equipo de perforación disponible disponible y del diámetro elegido para la ejecución ejecución del barreno. Cuando Cuando en la relación altura de banco (H)/piedra (V), "H" es pequeña, cualquier variación del valor de "V" tiene una gran influencia en los objetivos que se intentan conseguir con la voladura.
Imagen 4 Altura de de banco
Para una "V" constante, si "H" aumenta, el espaciamiento entre barrenos puede variar y verse afectada la fragmentación que se quiere alcanzar. Para una H/V 1, se obtendría obtendría una fragmentación gruesa con problemas problemas de sobre ∞
excavación. Este tipo de problemas, desaparecen con diseños geométricos en que H/B > 3 (Ash 1977). 4.3. Inclinación de la perforación: el componente principal del movimiento de las rocas es perpendicular al eje de los barrenos, por lo que cuando estos se inclinan el material se proyecta hacia arriba y hacia adelante (Long, 2003).
En teoría, el desplazamiento horizontal es máximo cuando el ángulo de los l os barrenos es de 45°, pero en la práctica lo habitual es utilizar inclinaciones no superiores a los 30°. Esto es debido a las características de los equipos de perforación, que en algunos casos, incluso aconsejan la perforación vertical, como sucede con los grandes equipos rotativos con rocas duras (Centro Tecnológico de Voladura EXSA S. A, 2009).
Imagen 5 Incidencia Incidencia de la inclinación inclinación de perforación perforación
4.4. Recatado.- La finalidad de retacar los barrenos es confinar y retener los gases producidos por explosivos, una vez detonado, a efectos de desarrollar el máximo trabajo de fragmenta de la roca. Un retacado no realizado en las debidas condiciones puede provocar un aumento de de niveles de vibración, y de onda aérea en el entorno de la voladura. Si la longitud de retacado se lleva por exceso, los efectos que se producen son: gran cantidad de bloques, y poco esponjamiento de la pila de roca volada. Si por el contrario se realiza por defecto, se aumenta el riesgo de posibles proyeccion pro yecciones. es.
A efectos prácticos puede considerarse; que las longitudes de retacado aumentan conforme los parámetros de calidad del macizo rocoso empeoran. Puede tomarse una variación entre: 25 y 60 veces el diámetro de perforación. 4.5. Piedra y espaciamiento.- Tanto 1a "piedra" o distancia al frente libre, como el "espaciamiento" o distancia barrenos de una línea, dependen de: - el diámetro de perforación - las propiedades geo mecánicas de las rocas a volar - los explosivos a utilizar - la altura de banco - el grado de fragmentación que se desea - el desplazamiento que se espera conseguir de la roca volada En el cálculo de un esquema, una de las primeras variables que deben conocerse piedra. Para su cálculo existen numerosas numerosas expresiones., expresiones., recogidas recogidas en la bibliografía La más utilizada es la propuesta por Langeforsy Kihlstrom (1963), cuya expresión es:
= 33 √ ∗ ̅ ∗∗ ∗∗ Donde: V: valor de la piedra (m) D: diámetro del barreno (mm) c: constante de la roca -Rocas duras -V = 1 4-1 5 m . -V<1,4m
̅̅ = = c - 0,4 ̅̅= c + 0,75 ̅̅= 0,07/V + c
f: factor de fijación -Para barrenos verticales
f=1
-Para barrenos inclinados
f=0.9
-Para barrenos inclinados 2:1
f=0.85
E/V: relación espaciamiento/piedra
: Densidad de carga (Kg/dm ) 3
Casi todas las expresiones de cálculo proporcionan valores comprendidos entre 25 y 40 veces el diámetro de perforación, dependiendo de las propiedades geo mecánicas y de la roca a volar. El espaciamiento "S" o distancia entre barrenos de una misma línea. se dimensiona en función de: - La piedra - El tiempo de retardo y - La secuencia de encendido Un espaciamiento excesivo entre barrenos da lugar a una fracturación inadecuada, con definición de bloques importantes, que van a necesitar de un taqueo. Existen grandes probabilidades de dejar frentes muy irregulares. Inversamente, espaciamientos pequeños llevan consigo: - Un aumento de la perforación - Un aumento de la fragmentación de la roca para el mismo consumo específico - Sobre excavaciones, con un aspecto general de la nueva superficie creada semejante al de una roca altamente fracturada. 4.6. Densidad del Explosivo: es el peso específico g/cm3 (a mayor densidad, mayor potencia), varía entre 0,7 a 1,6 g/cm3. Todo explosivo tiene una densidad critica encima de la cual ya no detona (Karlinsku et al., 2008) 4.7. Resistencia a la compresión de la roca (sc): es la propiedad mecánica de la roca de oponerse a las fuerzas de compresión y tensión (Yilmaz, 2009). Esta propiedad determina la energía que se necesita aplicar para la perforación del macizo rocoso y acondiciona en gran parte los parámetros y características de la operación de perforación y voladura voladura (Zhantao e Itakura, 2012). 4.8. Dimensiones de la voladura: comprende el área superficial delimitada por el largo del frente y el ancho o profundidad del avance proyectado (m2) por la altura de bando o de corte (H), en m3 (Centro Tecnológico de Voladura EXSA S. A, 2009). Las variables de diseño de voladura descritas anteriormente, son las que se utilizan como variables de entrada en el algoritmo para el diseño de la operación de perforación y voladura. Dichas variables nos permiten obtener como resultado, parámetros fundamentales fundamentales como el burden (B), espaciamiento (E), altura de d e banco (H), taco (T), sobre perforación (SP), volumen de carga (VC), factor de carga (PF), entre otras, que influyen directamente en la ejecución de la voladura en minería de superficie.
V.
CONCLUSIONES
Conceptualizamos Conceptualizamos lo que significa voladura superficial, así como también los tipos que existen.
Utilizamos los criterios necesarios para el diseño ejemplo de voladura superficial.
VI.
EJERCICIOS
1.- En este ejemplo vamos considerar que la malla de perforación y voladura (burden x espaciamiento) es 5 m x 6 m. Se tiene en cuenta que se va hacer un cambio de explosivo en uso que es el ANFO que tiene una RBS es 1,00 y su longitud de carga es 8 m; con otros dos tipos de explosivos en el que se utilizará uti lizará como carga de fondo una emulsión cuya RBS es 1,20 y la longitud de la carga es 3,00 m. Se usará como carga de columna el explosivo ANFO cuya RBS es 1,00 y la longitud de la carga es de 5,00 m.
Cambio de explosivo ANFO a otros dos tipos de explosivos.
Cálculo de las nuevas dimensiones utilizando la siguiente ecuación
Reemplazando:
RPT: Esto significa que la nueva malla de perforación y voladura al cambiar los explosivos sería 5,12 m x 6,15 m.
2.- Con tres explosivos y tacos intermedios En este ejemplo también vamos considerar que la malla de perforación y voladura (burden x espaciamiento) es 5 m x 6 m y se realizará el cambio del explosivo ANFO con tres tipos de explosivos con la distribución mostrada en la siguiente figura.
Cambio de explosivo ANFO a otros tres tr es tipos de explosivos. Cálculo de las nuevas dimensiones utilizando la siguiente ecuación
Reemplazando:
Esto significa que la nueva malla de perforación y voladura al cambiar los explosivos sería 5,24 m x 6,29 m.
