UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS ESCUELA DE INGENIERIA DE MINAS
“LA VOLADURA Y LAS VIBRACIONES”
Curso
: INGENIERIA DE EXPLOSIVOS
Docente
:
ING. ALEJANDRO VASQUEZ ARRIETA
Alumno
: RAMOS CHAVEZ WALTER EDINSON
Piura, Agosto del 2011
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INTRODUCCION Actualmente en la Industria Minera, las Operaciones Unitarias de Perforación y Voladura, son esenciales realizarlas con una alta eficiencia, porque influye directamente en las Operaciones posteriores y en el daño que pueden ocasionar al Macizo Rocoso. Las diferentes características de los Macizos Rocosos en las diferentes zonas del Perú, hacen que se diseñen diversas formas de perforación y voladura, que se adapten mejor a cada área específica. Al realizar la Perforación y Voladura, se debe controlar los efectos que estos pueden ocasionar al Macizo Rocoso a través de las Ondas Sísmicas que se producen en la voladura, pudiendo ser estos resultados modificables, a través de los diferentes parámetros que tienen influencia en ocasionar un mayor efecto de vibraciones, que mediante un análisis y estudio respectivo, estos se pueden modificar, disminuyendo los efectos al Macizo Rocoso, deseando optimizar la distribución de la energía de los explosivos. Mediante el control de las vibraciones que se realiza mediante pruebas de campo directamente, que a través de la interpretación de los resultados y la obtención de la Velocidad Pico Partícula, y mediante el conocimiento de los parámetros de voladura, la geología del lugar, todas estas variables se pueden relacionar en distintas formulas empíricas, influenciadas por la Ley de Propagación de Ondas, logrando así el conocimiento de los efectos y las distancias a la que afecta las vibraciones, pudiéndose estas variables manejarse modificando algunos parámetros de la voladura o definiendo la distancia mínima de las estructuras mas cercanas que no se desea que sean afectadas, obteniéndose así energía sísmica de mayor frecuencia que es absorbida rápidamente que la de menor frecuencia, dependiendo fuertemente de la geología y de los intervalos de retardo utilizados en la secuencia de detonación.
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CAPITULO I: VOLADURA DE ROCAS SUBTERRÁNEA 1.1. Definición Es un proceso tridimensional muy complejo, que a través de la alta concentración de energía de los explosivos por las altas presiones en los taladros, generan dos procesos dinámicos: Fragmentación y Desplazamiento; que pueden ser controlados, por el tamaño de los disparos, secuencia de iniciación, cantidad y tipo de explosivo; para obtener resultados eficientes y económicos, con el menor daño posible al macizo rocoso, evitando la caída de rocas. 1.2 Mecánica de Rotura de la roca Es aun muy compleja de conocer su verdadero proceso, actualmente existen diversas teorías que manifiestan que sucede en varias etapas, en un tiempo extremadamente corto donde ocurre la detonación, fragmentación hasta el desplazamiento del material volado, involucrando una serie de parámetros: confinamiento, cara libre, relación burden – diámetro y condiciones geológicas; y las etapas son:
•
Detonación del explosivo y generación de onda de choque.
•
Iniciación del agrietamiento por acción de la onda de choque.
•
Generación y expansión de gases a alta presión y temperatura.
•
Desplazamiento del material volado para formar la pila de escombros.
1.2.1 Energía de Choque y Energía de Gas
En el proceso de detonación de los explosivos se producen dos energías que son la causa de la fragmentación y desplazamiento de la roca: La energía de choque o presión transitoria, que resulta de la presión de detonación, quien depende directamente de la densidad del explosivo y de la VOD, es la primera en producirse en la dirección opuesta a la iniciación de la reacción, representando el 10% - 15% de la energía total útil del explosivo; y ; La energía de gas, que es la principal causa de la fragmentación y es mas conocida como presión de explosión y generalmente es la mitad de la presión de detonación, aunque no siempre, como el ANFO, representando el 85% - 90% de la energía restante; y de acuerdo a los resultados que uno desea obtener hace uso de los diferentes tipos de explosivos con sus características especificas.
1.2.2 Trituración
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Luego de la detonación se expande coaxialmente una onda de compresión cilíndrica u onda de choque, que al superar la resistencia a compresión dinámica de la roca se producirá inmediatamente la trituración alrededor del taladro, y el espesor de esta zona aumenta con la densidad, VOD y diámetro de la carga.
1.2.3 Fracturación por Agrietamiento Radial
La onda de compresión radial, presenta una componente de tracción tangencial, que al superar la resistencia dinámica a tracción de la roca, se inician grietas radiales en todas las direcciones del taladro, limitándose por la siguiente pared del taladro; esta es la fase más importante del proceso de voladura.
1.2.4 Rotura por Reflexión
Cuando la onda de compresión alcanza el taladro de alivio, se producirá una nueva onda de tracción, creciendo el volumen afectado repartiéndose la energía en las ondas reflejadas, una de tracción y otra de cizallamiento, entonces si la onda de tracción es suficientemente intensa se producirá el descostramiento de la roca, recordando que la resistencia a la tracción es solo del 5% - 15% de la resistencia a la compresión o cizallamiento de esta, también se debe de tener en cuenta una pequeña inclinación en los taladros de alivio, para desaguarlos y así evitar una menor onda de tracción reflejada y la rotura inmediata.
1.2.5 Rotura por Flexión
Se presenta entre un taladro cargado y el taladro de alivio o cara libre, por la presión cuasi estática ejercida por los gases de explosión, hacen que se forme una cuña y se abombe o flexe, manteniéndose los extremos del taladro como puntos fijos, ocasionando así la fractura por flexión. 1.3. Parámetros de Voladura 1.3.1 Parámetros de Geomecánica
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Los parámetros de la roca intacta y del macizo rocoso son variables incontrolables, y se debe adecuar los diseños de voladura a cada condición que se presente, estos parámetros son: propiedades físicas (dureza, densidad, porosidad, tenacidad, otros), propiedades elásticas (resistencia a la compresión y tracción, cohesión, ángulo de fricción interna y velocidad de propagación de ondas), propiedades de las discontinuidades (orientación, persistencia, relleno, apertura y espaciamiento), presencia de agua e impedancia de la roca.
1.3.2 Geometría de la Malla
Realizada con parámetros controlables, y depende de métodos empíricos, matemáticos y la experiencia, para obtener buenos resultados; estos parámetros son: burden, espaciamiento, densidad de la carga, diámetro, longitud del taladro, longitud del taco, confinamiento y factor de carga.
1.3.3 Sistemas de Iniciación
El diseño de iniciación es muy importante para lograr una fragmentación óptima y no dañar al macizo rocoso, siendo los parámetros más importantes: el intervalo de tiempo de los retardos y la conexión de los mismos. De esta manera se puede tener una predicción de la granulometría y los efectos al macizo rocoso, además se tiene que tener en cuenta elegir de forma correcta los tiempos de intervalos para evitar la sinterizacion y el apelmazamiento de la roca en la zona del cuele, y hacer que cada carga disponga después de un frente libre efectivo. Por otro lado diversos estudios describen que a tiempos cortos producen una mejor fragmentación, pero reducen el avance por disparo y aumentan el desplazamiento de la pila haciendo la carga más dificultosa, también se debe de tener en cuenta el campo de tensiones in situ, ya que las grietas tenderán a seguir la dirección de las tensiones principales de campo.
1.4. Diseños de Voladura y Modelos de Predicción de la Fragmentación
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1.4.1 Diseño de Mallas En la actualidad existen muchos métodos y teorías que describen como diseñar una malla de perforación y voladura, en esta tesis solo describiremos el método que se utilizara en la elaboración del diseño final y un método empírico, que comúnmente se realiza en las minas subterráneas.
1.4.1.1 Método del Modelo Matemático de Áreas de Influencia Es un nuevo modelo matemático para diseñar mallas de perforación y voladura, calculando el área de influencia por taladro y fue desarrollada de la siguiente manera: •
Esta método de diseño nace del siguiente Figura:
Fig. Nº 1 Área de Influencia de un taladro después de la Voladura
Fuente: E. Hoek / E.T. Browm, “Excavaciones subterráneas en roca”
• • •
En donde la zona 1; es el diámetro del taladro, la zona 2 es la zona pulverizada por el explosivo y la zona 3 es el área de influencia del taladro después de una voladura. En este caso la nueva teoría calcula el espesor fracturado por el explosivo y que luego se demostrara el burden. Esta teoría es realizada con los criterios de resistencia de materiales, mecánica de rocas y parámetros del explosivo y perforación.
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1.4.1.2.1 Reformulación Modelo Matemático •
La reformulación se realiza para la utilización de cargas de fondo y de columna de un taladro, en donde el área de influencia es calculado usando dos tipos de explosivo de fondo y de columna. Fig. Nº 2 Representación grafica del área de influencia de un Taladro
Fuente: Nueva Teoría para calcular el burden, IV CONEINGEMMET en Huancayo 2003
Fig. Nº 3 Diagrama de cuerpo libre del corte A - A`
Fuente: Nueva Teoría para calcular el burden, IV CONEINGEMMET en Huancayo 2003
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•
Resolviendo el equilibrio de fuerzas se tiene: ∑ Fv = 0 -2F1 +F2 = 0 F2 = 2F1
... (1)
Donde: a. Determinando F2; se realizara descomponiendo el vector F2 en sus dos ejes cartesianos: dF2 = 2dF2senα + 2dF2cosα “El diferencial de (F2) depende de la presión de detonación, el factor de carguío (Fc) del explosivo y un diferencial del área, del D.C.L.” dF2 = PoD*Fc*dA dF2 = PoDtal*dA “El diferencial de área (dA) esta en función a la longitud de taladro y un diferencial de arco (ds) que forma el diámetro del taladro” dA = Ltal*ds “El diferencial de arco (ds) esta en función al radio del explosivo (re) y un diferencial de ángulo alpha (dα)" ds = re*dα Reemplazando se tiene un F2 = F2 = 2*PoDtal *Ltal*r
… (2)
b. Determinando F1; la Fuerza 1, depende de la resistencia a la compresión de la roca o mineral ( r), R.Q.D. y el área de rotura (A). F1 = r*RQD*A Donde: A = e*Ltal F1 = r *RQD*e*Ltal
... (3)
Reemplazando ecuación (3), (2) en (1) y simplificando 2*PoDtal* Ltal*r = 2* r*RQD*e*Ltal
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•
Burden para un factor de seguridad “Fs” +
• Burden nominal “Bn” (formula general), reemplazando ec. (4) en (5) y simplificando.
•
Burden Ideal “Bi”
Dp= Desviación de perforación Fig. Nº 4 Área de influencia del taladro con relación al Burden y Espaciamiento
Sn
Bn
Fuente: Nueva teoría para calcular el burden, “IV CONEINGEMMET” en Huancayo 2003
Dónde: Bn = Burden nominal (m) Sn = Espaciamiento nominal (m) = Diámetro del taladro (m)
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PoDtal = Presión de detonación en el taladro (Kg/cm2) RQD = Índice de calidad de la roca r = Resistencia a la compresión de la roca o mineral, (Kg/cm2) Fs = Factor de seguridad Nota: Los demás parámetros y análisis se describirán al momento de calcular la malla para las unidades mineras en estudio en el capitulo siete.
1.4.1.3 Métodos Empíricos
Existen diversas formas teóricas y empíricas de calcular los parámetros de voladura, a continuación se describirá una de ellas brevemente: •
Numero de taladros:
Nº de tal = 10*
•
Longitud de taladros:
L = 0.5*
•
Burden y espaciamiento:
B1 = 1.5 * D
E = B1 *
B2 = B 1 *
E = 1.5* B2 *
B3 = 1.5* B2 *
E = 1.5 B3 *
B4 = 1.5 B3 *
E = 1.5 * B4 *
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1.4.2 Modelos de Predicción de la Fragmentación
El grado de fragmentación generado por una voladura se define básicamente como la distribución granulométrica del material volado, y puede representarse de las siguientes maneras: •
Histograma: entrega una distribución no acumulativa de tamaño o peso de fragmentos en una clase dada.
•
Grafica Acumulativa: entrega el grafico de distribución acumulativa.
1.4.2.1 Modelo de Larsson
Donde: K50 = Abertura de malla cuadrada por la que pasa el 50% del material volado. B = Burden (m) S/B = Relación espaciamiento burden CE = Consumo especifico de explosivo (Kg/m3) C
= constante de la roca 0.3 – 0.5 Kg/m3
S = constante de tronabilidad S = 0.6 para rocas muy fisuradas S = 0.4 para rocas homogéneas
1.4.2.2 Modelo Kuz Ram Una relación entre el tamaño medio del fragmento y la energía aplicada a la voladura por unidad de volumen de la roca (carga específica) ha sido desarrollada por Kuznetsov (1973) en función del tipo de roca. Su ecuación es la siguiente:
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Donde: A = Factor de roca (1 – 13) Vo = Volumen de roca por pozo (m3) Q = Cantidad de TNT equivalente a carga de explosivo por pozo Qe = Kg. De explosivos por pozo E = Potencia relativa en peso referido al anfo
= inverso del factor de carga, por lo tanto a medida que aumenta el factor de carga el tamaño medio disminuye. Q = depende del diámetro de perforación, por lo tanto a medida que el diámetro de perforación disminuye el tamaño medio también lo hace.
Calculo del Factor de Carga A (1):
Donde: Bl = 1 par tajo abierto, 2 para túnel Sc = Resistencia a la compresión (Kg/cm2) ff = frecuencia de fracturas por pie de testigo (0-6)
Calculo del Factor de Carga A (2):
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Donde: RMD = Descripción de la roca JPS = Separación entre fracturas planas JPA = Angulo de fracturas planas, tabla RDI = Influencia de densidad HF = Factor de dureza, tabla
Ecuación de Rosin Rammler:
Donde: P(x) = Proporción de material retenido en una malla x x = abertura de malla xc = tamaño característico n = coeficiente de uniformidad
F(x) = Proporción del material que pasa por una abertura de malla x 0
Calculo del Coeficiente de Uniformidad:
Donde: D = diámetro de perforación (mm) B = burden (m) S = espaciamiento (m) W = desviación de perforación (m) BCL = longitud de carga de fondo (m) CCL = longitud de carga de columna (m) Lt = longitud total de carga (m) Lo = longitud de carga sobre el nivel del piso (m) H = altura de banco
El coeficiente de uniformidad da cuenta de la uniformidad de la fragmentación y su variabilidad depende básicamente de:
Si,
aumenta, n disminuye
Si,
aumenta, n aumenta
Si,
aumenta, n aumenta
Existen otros análisis que serán estudiados al momento de aplicar el modelo al estudio. 0
1.4.2.3 Modelo JKMRC
Volumen de Sobre Tamaño alrededor del pozo
Fig. Nº 5 Zonas del modelo JKMRC
Carga explosiva
Zona de molienda
Zona de rotura
Diámetro del pozo
Maxima extensión de la Molienda rc (d=2a)
Fuente: Alexis Collao Muñoz, Diplomado internacional de mecánica de rocas, Antofagasta 2011
Corrección del Fino:
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•
Propone que el sector cercano a la fragmentación, ocurre por la molienda, produciendo partículas muy finas, fuera de esta sugiere que el modelo Kuz Ram es apropiado.
•
El punto de inflexión esta controlado por el esfuerzo compresivo a la roca.
•
La zona fina termina cuando el esfuerzo de la roca es menor que la resistencia a la compresión uniaxial de esta.
•
De acuerdo al formulismo propuesto por Jaeger y Cook, se tiene:
Donde: = esfuerzo radial a una distancia x a la pared del pozo d = diámetro del pozo Pb = presión del pozo, depende del VOD y la densidad del explosivo
Donde: C = cte (4, 8) C = 4, la ecuación representa la presión de detonación C = 8, la ecuación representa la presión del pozo
En la zona de chancado, representado por un cilindro de longitud igual a la longitud de carga. Usando las dos ecuaciones se obtiene el radio de la molienda rc.
Fig. Nº 6 Zona de Gruesos y Finos
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Pb < UCS
Pb > UCS
Fuente: Alexis Collao Muñoz, Diplomado internacional de mecánica de rocas, Antofagasta 2011
1.5. Efectos de Daño al Macizo Rocoso Las voladuras efectuadas en las diversas labores deben de controlarse de manera que se tenga un disparo eficiente no afectando mucho a la roca circundante y a la vez lograr una granulometría adecuada del material volado.
1.5.1 Sobre Rotura
Es el proceso que se genera por no hacer una voladura controlada en los taladros de contorno, provocando así un mayor ancho o grosor del área a volar, produciéndose sobre rotura posterior afectando al sostenimiento.
1.5.2 Rotura por Descostramiento
Es el fenómeno que se produce cuando las tensiones de tracción superan la resistencia dinámica de la roca.
1.5.3 Airblast
También conocido como sobrepresión de aire, es una onda aérea de compresión semejante a la onda P, se produce por la liberación de los gases explosivos a la atmosfera, el movimiento de la masa rocosa triturada y el movimiento vertical de la superficie del terreno proveniente de las ondas sísmicas que se desplazan desde el lugar de la voladura produciendo una vibración adicional; así se produce la onda aérea que puede causar algún malestar a la persona humana y a los exteriores de estructuras cercanas.
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1.5.4 Cuantificación del Daño
Técnica Sísmica de Cross – Hole
•
Factor de Calidad “Q”: Evalúa el tiempo de viaje, los cambios en la frecuencia de las vibraciones y la atenuación de la amplitud, en la post-voladura, en comparación con la pre-voladura.
La calidad del Macizo Rocoso disminuye si en la post voladura: -
La amplitud se reduce
-
El tiempo de llegada aumenta (baja velocidad de propagación de ondas P)
-
El rise time aumenta, por la reducción de la frecuencia.
Fig. Nº 7 Descripción de la prueba post voladura
Geófono Carga sísmi D
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CAPITULO II: VIBRACIONES 2.1 Definición de Vibraciones Estado de esfuerzos inducido en el macizo rocoso, mediantes ondas elásticas, producto de la detonación de explosivo de los pozos de voladura con el fin de fragmentar la roca. 2.2 Tipos de Ondas Sísmicas Generadas Las ondas sísmicas generadas son denominadas de cuerpo y superficiales: •
Ondas de cuerpo: las ondas P, de compresión y tensión; las ondas S, de cizallamiento o transversal.
•
Ondas superficiales: Las ondas R, que viajan a una velocidad del 90% de la onda S y las ondas Love de menor velocidad de propagación.
2.3 Parámetros de las Ondas Los principales parámetros que se deben conocer al momento de hacer un estudio de vibraciones son las siguientes: •
Frecuencia: Ciclo completo por segundo.
•
Amplitud: Desplazamiento máximo de partícula de su posición de reposo.
•
Desplazamiento: Distancia a la que se encuentra la partícula en un momento determinado en relación a su posición de reposo.
•
Velocidad: Rapidez con que la partícula se mueve en forma oscilatoria, en un determinado momento.
•
Aceleración: Es el incremento promedio de la velocidad de una partícula que se desplaza a través de un medio cualquiera.
2.4 Atenuación Geométrica e Inelástica de las ondas Se debe saber que en un medio homogéneo la amplitud de la onda vibracional disminuye conforme avanza en el macizo rocoso; por otro lado también disminuye por transmitirse en estructuras inelásticas disminuyendo parte de su energía mecánica transferida por la onda a la roca. 2.5 Variables que Afectan las Características de las Vibraciones
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2.5.1 Geología y Características de las Rocas La geología y las características geomecánicas del macizo rocoso son un parámetro peculiar de cada unidad minera, ya que el conjunto de características del macizo rocoso determinaran en que dirección se propagan con mayor intensidad las vibraciones, el caso de macizos fracturados y complejos o si se propagan en todas las direcciones como en macizos competentes.
2.5.2 Carga Operante Es el factor individual más importante, las vibraciones producidas son directamente proporcionales a la carga, además se debe de tener en cuenta que esto no quiere decir que debemos de disminuir el consumo específico directamente, sino adecuarlo a una mejor distribución en el taladro, un confinamiento y tiempo de retardo adecuado. 2.5.3 Distancia al Punto de Voladura La distancia es un factor que se comporta de manera diferente ya que el medio por donde se transmite es como un filtro que absorbe energía, y mientras la distancia aumenta disminuye la intensidad de las vibraciones. 2.6 Modelos Predictivos Existen dos modelos predictivos: 2.6.1
Modelo del Campo Cercano
Teoría de Holmberg y Persson
Método convencional en base al peso de la carga, considerándola en forma distribuida.
K, α y 2.6.2
son constantes de la roca.
Modelo de Campo Lejano
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De forma genérica, el nivel de vibración recibida en un punto, es función directa de la carga operante y función indirecta de la distancia entre el punto de la voladura y el de registro.
K, a y b son constantes que engloban la geología del lugar, geometría de la carga, la diferencia de cota entre los puntos de disparo y de medida, etc.
Las vibraciones no solamente se manifiestan por su velocidad pico partícula, sino también por la frecuencia de la misma.
2.7 Normas Internacionales que Regulan las Vibraciones Existen diversas normas a nivel mundial, el Perú aun no cuenta con su propia normativa. 3 Normativa Española UNE 22-381-93 4 Norma USBM 1982 5 Normativa Sueca (Norma Swedish Standard 460 48 66) 6 DIN 4150 2.8 Monitoreo de Vibraciones El empleo adecuado del monitoreo de vibraciones es una técnica muy productiva que permite saber en detalle el proceso de voladura, además de brindar información valiosa para evaluar los daños que esas vibraciones pueden ocasionar.
Instrumentación del Monitoreo:
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Sensores o Transductores (Geófonos o Acelerómetros): Se instalan en el interior del macizo rocoso.
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Un sistema de cables que lleva la señal captada por los sensores al equipo de monitoreo.
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Un equipo que reciba la señal, la amplifique para hacerle visible y la guarde (sismógrafo).
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•
Un computador que tenga incorporado el software requerido para el traspaso y análisis de la información.
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BIBLIOGRAFIA
P. Pal Roy (2005) “Rock Blasting Effects and Operations”, Primera edición, India. C. J. Konia (1995) “Manual Konia”, Primera edición. C. López Jimeno, E. López Jimeno, P. García (2010) “Manual de Voladura en Túneles”, Primera edición, España. ISEE (2006) “Fundamentos Prácticos de Voladura nivel I”, Primera edición, Estados Unidos. C. López Jimeno, E. López Jimeno, P. García (2003) “Manual de Perforación y Voladura de Rocas”. E.T.S.I. de Minas-Universidad Politécnica de Madrid. EXSA, Manual Practico de Voladura R. Ojeda (2003) “Diseño de Mallas de Perforación y Voladura Subterránea Aplicando un Modelo Matemático de Áreas de Influencia”, IV CONAINGEMMET-Huancayo 2003. I. Villalba, M. Delgado, “Modelos Predictivos de Fragmentación”, ENAEX. A. Collao (2011) “Tópicos Especiales Tronadura” - Diplomado Internacional de Mecánica de Rocas, BS Grupo, Chile. A. Laos (2010) “La Sobrerotura debido a la Voladura y su efecto en el Diseño de Sostenimiento”, Simposio Internacional de Mecánica de Rocas, Perú. D. Córdova (2004) “Geomecanica y Voladura”, EXSA. J. M. Davidson, S. M. Geerts (2011) “Pipe Fragmentation Analysis to determine characteristics of Improvised Explosives”, ISEE, Estados Unidos. J. Ríos, C. Reyes, “Aplicación del Modelamiento de Vibraciones en Campo Lejano orientado a la Protección de Instalaciones”, Orica Mining Services.
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Américo Arturo Zuzunaga Cardich (1990) “Vibraciones Inducidas por disparos en Minería a Cielo Abierto”, Tesis PUCP. Stefanie Marybell Orihuela Castillo (2008) “Diseño de un Modelo Predictivo a partir de un Estudio de Vibraciones en una Voladura en una Mina Modelo”, Tesis PUCP.
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