Geomecanica Minera Superficial-partei Intercade

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GEOMECANICA MINERA SUPERFICIAL MODULO VOLADURA CONTROLADA, ANALISIS VIBRACIONAL Y SISMOLOGIA APLICADA A LA ESTABILIDAD DEL MACIZO ROCOSO EN MINERIA SUPERFICIAL Ph. D. Carlos Agreda Turriate Consultor Intercade

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INDICE 1. Geomecánica minera superficial 2. Aplicaciones de la geomecánica a las operaciones mineras superficiales 3. Voladura controlada 4. Análisis vibracional y sismología aplicada a la estabilidad del macizo rocoso 5. Criterio de daño 6. Sismicidad inducida y análisis vibracional 7. Instrumentación geotécnica convencional y sismicidad inducida

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GEOMECANICA MINERA SUPERFICIAL


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GEOMECANICA MINERA SUPERFICIAL Introducción En la explotación minera a gran o pequeña escala, escala como también en la minería artesanal, el objetivo principal es extraer los minerales de la corteza terrestre y comerciarlos en concentrados y/o metales, con costos operacionales mínimos. Pero también,, las operaciones p mineras unitarias de perforación y voladura de rocas en minería superficial producen lanzamientos de fragmentos de roca y vibraciones inducidas por esta operación.



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Para mitigar y/o evitar estos aspectos negativos de la voladura de rocas, el ingeniero a cargo de esta operación debe estar capacitado y actualizado para utilizar ciencia y t tecnología l í modernas. d D esta De t manera, aplicará li á all diseño di ñ de d mallas los diferentes modelos matemáticos postulados por los investigadores inmersos en esta materia, así como las metodologías que proporciona la voladura controlada. Únicamente con el uso de las metodologías de la voladura controlada se podrá reducir el nivel de vibraciones. vibraciones Además, Además cabe mencionar que ya existe en el mercado un explosivo con menor VOD inventado el año 2007 en Canadá por el Dr. Silva (brasileño).


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PROBABILIDADES, RIESGOS E INCERTIDUMBRES EN GEOMECANICA Introducción Para comenzar se debe mencionar que el macizo rocoso es totalmente aleatorio. Por tanto, para minimizar las probabilidades de riesgos en la estabilidad de este se debe aplicar ciencia y tecnología de última generación en términos de modelos matemáticos aplicados a entornos inciertos y ambientales.


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Por otro lado, se conoce que la ciencia de la investigación de operaciones cuenta con modelos matemáticos para cada aplicación específica. Se debe tener en cuenta que para prevenir y controlar la inestabilidad del macizo rocoso se debe aplicar un modelo matemático de simulación que permita representar lo más cercanamente posible al macizo rocoso, incluyendo toda su caracterización geomecánica. También, T bié se enfatiza f ti que los l dif diferentes t caracteres t d l del macizo rocoso, llevados a cabo por diversos investigadores, son empíricos y han sido para otras realidades. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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Un ejemplo de ello son EE. UU., Sudáfrica, entre otras; por lo que se sugiere que dichas caracterizaciones sean tomadas como guías para la caracterización del macizo rocoso peruano y así evitar accidentes que muchas veces son fatales.


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Mortales por tipo 2000-2011 DESP. DE ROCAS 34%

OTROS 31%

DERRUMBE, DESLIZAMIENTO 8% ASFIXIA, INTOXICACIÓN 9%

TRÁNSITO 9%

CAÍDAS DE PERSONAS 9%



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Desde el año 2000 a octubre del año 2010, se registraron 676 accidentes fatales en la actividad minera formal en el Perú: 447 correspondieron a empresas contratistas mineras y 229 a empresas mineras, según las estadísticas del Ministerio de Energía y Minas (www.minem.gob.pe).


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C Como se sabe, b uno de d los l grandes d i investigadores ti d relacionados

con

este

tópico

es

Siskind

et.

Al

(1980), quien propuso los siguientes gráficos donde se puede observar el siguiente ploteo:



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Damage probability (%) vs. particle velocity (in/sec)


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Damage probability (%) vs. particle velocity (in/sec)

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APLICACIONES DE LA GEOMECANICA A LAS OPERACIONES MINERAS SUPERFICIALES


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APLICACIONES DE LA GEOMECANICA A LAS OPERACIONES MINERAS SUPERFICIALES Introducción En este tercer milenio, se debe tener en cuenta que para efectuar las diversas labores superficiales, en primer lugar, se debe conocer las características geomecánicas de las rocas, los parámetros de detonación y de explosión de las mezclas explosivas más usadas a nivel mundial y el diseño de dichas labores superficiales. p Si conocemos las características geomecánicas del macizo rocoso, entonces tendremos las siguientes condiciones o capacidades. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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i.

Diseñar eficientemente las diferentes excavaciones superficiales.

ii. Proporcionar una evaluación geomecánica global del macizo rocoso. iii. Estimar la calidad del macizo rocoso y de los parámetros resistentes de las rocas: cohesión y ángulo de fricción interna (i). iv. Efectuar un análisis muy minucioso para evitar el deslizamiento de los taludes.


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GEOMECANICA Definición Según Bieniawski, es la ciencia y la ingeniería que estudian los suelos y los materiales rocosos, así como los macizos rocosos. Este es un campo de práctica profesional y de investigación que trata de lo mencionado anteriormente. La geomecánica contribuye a un número de disciplinas: Ingeniería de Minas, Civil, Geológica, Petrolera, de Gas Natural. Estas disciplinas son estudiadas para diseñar y construir algunos proyectos, tales como minas, túneles, cimentaciones, estabilidad de taludes, piques, perforaciones en la búsqueda de petróleo y gas, etc. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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La geomecánica permite mejorar el ambiente donde vivimos y la calidad de vida de los habitantes del planeta Tierra. Objetivos j Conocer las características geomecánicas de las rocas para minimizar y/o evitar el deslizamiento de los taludes.


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CARACTERIZACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO Para utilizar el mapeo geológico y geomecánico de las discontinuidades del macizo rocoso, rocoso es necesario clasificar y cuantificar sus efectos en el proceso de excavación de dicho macizo. A nivel mundial, existen diversos sistemas de clasificación y caracterización del macizo rocoso, pero los más usados son los siguientes: g Rock Quality Designation (RQD-Index) Rock Mass Rating System (RMRs-value) Rock Mass Quality (Q System-value) P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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Estos sistemas han sido desarrollados principalmente para evaluar la reducción de la estabilidad de un macizo rocoso interceptado por algunos planos. Sin embargo, ellos también pueden proveer cierta ayuda para estimar la influencia de las características del macizo rocoso durante el proceso d excavación de ió .


RMR

Clase Nº

Clasificación

100-81

I

Roca muy buena

81-60

II

Roca buena

60-41

III

Roca regular

40-21

IV

Roca pobre

<20

V

Roca muy pobre

22 RQD 

 Longitud total de testigos  10cm

x100

RQD (%)

Longitud total

100 – 90

Deere (RQD)

Bieniawski (RMR)

Calidad de roca Excepcionalmente mala

Macizo rocoso

Q

0.01-0.1

Muy mala

0.1-1.0

Mala

1.0-4.0

Regular

4.0-10.0

Buena

10.0-40.0

Muy buena

40.0-100.0

Extremadamente buena

100.0-400.0

Excepcionalmente buena

400.0-1000.0

Buena

75 – 50

Mediana

50 – 25

Mala Muy mala

RQD  115  3.3 x J v (%)

Palstrom y Priest and Hudson (RQD)

RQD  100e0.1 0.1 1

0.001-0.01

Extremadamente mala

Muy buena

90 – 75

25 - 0

RMR  1  2  3  4  5  6

Calidad de la roca

Barton (Q)

 RQD   J r   J w   x  x Q     J n   J a   SRF 



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CORRELACION ENTRE EL RQD, EL RMR Y EL Q SYSTEM Resistencia, rigidez, tamaño del bloque, integridad estructural, estabilidad, vida útil, etc. Cl ifi Clasificación ió 0.001

0

0

Barton

Bieniawski

Deere

Q

9

RMR

5

RQD

5

1000

100

100


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COMPARACION DE LOS METODOS BIENIAWSKI VS. BARTON La caracterización del macizo rocoso propuesta por Bieniawski y Barton es de interés especial, puesto que incluye suficiente información para poder evaluar los parámetros del macizo rocoso que tienen influencia en la estabilidad de una excavación subterránea como en taludes en roca. Bieniaswki da más importancia a la orientación y a la inclinación estructural de la roca y ninguna a los esfuerzos en la roca.



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Barton no incluye o no considera el factor de la orientación de los contactos, pero sí considera las propiedades de los sistemas de contactos más desfavorables al evaluar la rugosidad de los contactos y su grado de alteración. Ambos representan la resistencia al esfuerzo cortante del macizo rocoso. Estos dos sistemas señalan que la orientación y la inclinación de las estructuras son de menos importancia, y la diferencia entre favorable y desfavorable es adecuada para los casos p p prácticos. Existen algunos materiales como la pizarra que tiene características estructurales tan importantes que tienden a dominar el comportamiento de los macizos rocosos. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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En otros casos, grandes bloques quedan aislados por discontinuidades y causan problemas de inestabilidad durante la excavación, para estos casos los sistemas de clasificación descritos serán quizás no adecuados y se necesitarán consideraciones especiales para la relación entre la geometría del macizo rocoso y la excavación. Cuando se trata de rocas de muy mala calidad, rocas comprimidas expansivas o con grandes flujos de agua, comprimidas, agua la clasificación de Bieniaswki es poco aplicable.



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Por tanto, en este tipo de rocas extremadamente malas se recurre al sistema de Barton. Cabe enfatizar que para mayor seguridad estas caracterizaciones se deben tomar como guías y, es mejor aplicar ciencia y tecnología con modelos matemáticos.


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RECOMENDACIONES Se sabe que las diferentes caracterizaciones del macizo rocoso que existen a nivel mundial, postuladas por los di diversos i investigadores, ti d son empíricas. íi P ello, Por ll se deben d b tomar como tal; es decir, como una guía. Estas caracterizaciones se han realizado en otros países de diferentes condiciones al Perú. Para que estas caracterizaciones dejen de ser empíricas debe hacerse uso de los diferentes modelos matemáticos de la investigación de operaciones y darles un cierto grado de confiabilidad.



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VOLADURA CONTROLADA


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VOLADURA CONTROLADA Introducción La minería actual, para ser competitiva en el mercado mundial, di l se ha h visto i t en la l necesidad id d de d incrementar i t su eficiencia, su incremento de tonelaje (producción a gran escala). El incremento de las profundidades de los taladros a perforar y el diámetro de estos, lo mismo que la aparición en el mercado de nuevas MEC con mejores parámetros de detonación y explosión que los convencionales, han influido en la reducción de costos de operación.



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Sin embargo, ha resultado un incremento de concentración de energía en el área del disparo, creando problemas de back break, y el sostenimiento de la roca remanente que no debe ser afectada por las ondas de choque producidas durante la detonación. Algunos investigadores plantean que debe hacerse un análisis de sensibilidad económica entre el ahorro obtenido al incrementarse el diámetro de los taladros y el costo de los diferentes sistemas de sostenimiento.


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También, plantean que la mejor solución al problema es controlar los efectos de la voladura, de manera que la resistencia inherente de las paredes de las labores mineras después del disparo no sean destruidas. Estos métodos son llamados voladuras controladas, cuyo objetivo de cada una de las técnicas es reducir y distribuir mejor las concentraciones de cargas explosivas, y así disminuir el fracturamiento y el debilitamiento de las paredes circundantes. Todas estas técnicas son diseñadas para crear una baja concentración de energía producida por la detonación de una carga explosiva por pie2 del área que conforma el perímetro de la labor minera. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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Esta baja concentración de energía en las partes finales de las labores mineras puede conseguirse mediante las siguientes prácticas:  Desacoplar la carga explosiva.  Espaciar la carga explosiva.  Usar explosivos con menor energía.  Disminuir el diámetro del taladro.  Cambiar la geometría del disparo (B y S).


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DEFINICION Algunos investigadores a la voladura controlada también la llaman voladura perimetral, perimetral perimétrica o de contorno. contorno Existen diversas definiciones como las siguientes: Evita daños en la roca remanente y trata de dejar una superficie rocosa competente, lisa y bien definida después de la operación minera unitaria de voladura de rocas; de manera que no se produzca agrietamientos excesivos de la roca, lo que conlleva a mejorar su estabilidad.



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Es la descripción, el análisis y la discusión de una serie de técnicas que sirven para mejorar la competencia del macizo rocoso en la parte perimetral de una labor y/o excavación cualquiera. Es el uso de varias técnicas para tratar de minimizar los daños producidos a la roca remanente en los límites de una labor y/o excavación, debido a la acción de la onda de choque subterránea y a las altas presiones de los gases de la explosión, generadas durante la detonación de las mezclas explosivas comerciales usadas en un disparo primario. También, la definición de voladura controlada se muestra en el siguiente diagrama conceptual.


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VOLADURA CONTROLADA

Lanzamiento

Vibraciones

Cerca al perímetro (0-10 m)

Voladura lisa

Convencional con detonadores de ½ segundo

Onda de presión de aire

Polvo

Gases

Lejos del perímetro (>10 m)

Precorte

Voladura de corte con detonadores de mayor precisión

La carga g explosiva p máxima por retardo determinará los daños provocados a la resistencia y a la estabilidad de la roca remanente.



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APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE VOLADURA CONTROLADA Los sistemas de voladura controlada pueden ser usados en los siguientes campos:  Minería superficial s perficial  Minería subterránea  Obras de ingeniería civil: construcción de carreteras, trincheras para líneas de ferrocarriles, reservorios, pistas, entre otras.


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VARIABLES CONTROLADAS Como ya se sabe, la voladura de rocas puede causar los siguientes tipos básicos de daños a la roca circundante de una excavación cualquiera: D ñ a las Daños l paredes d del d l pit it inmediatamente i di t t circundantes i d t (back break, over break, crest, fracture, face loose rock, entre otros). Daños a las paredes de las labores mineras cercanas al disparo. Daños a las construcciones o labores mineras subterráneas cercanas a la influencia del disparo. disparo Daños a las paredes de las labores mineras debido a que se ha hecho un disparo en una área cercana (cuando se dispara para excavar una área donde se va a instalar una chancadora, entre otros). P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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Variables que se pueden controlar Tipo de explosivo Densidad del explosivo Diámetro de los taladros Burden (B) Espaciamiento (S) Sobre perforación Altura del collar Altura de taco Por otro lado, el tipo de MEC a usarse, la densidad de carga el desacoplamiento y el espaciamiento de las cargas carga, explosivas, el diámetro de los taladros y/o mallas de perforación y voladura (B) y (S) pueden variar para minimizar el fracturamiento hacia atrás y la presencia de rocas sueltas. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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EL EXPLOSIVO Una de las maneras para evaluar algunas MEC es comparando las presiones dentro de los taladros que se producen en el momento de la detonación. También, se sabe que la presión máxima ejercida por la expansión de los gases provenientes de la detonación d depende d de d la l siguiente i i t fórmula: fó l

P2  f 1 , D  P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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CALCULO DE LA PRESION DENTRO DEL TALADRO Es determinado por el Dr. Alan Bauer en la siguiente ecuación:  D2   PB  228 x10 6 1   1 0 . 8  1 

Donde PB: presión del taladro (Mpa) 1: densidad del explosivo (g/cc) D: velocidad de detonación (m/s) La presión ejercida en la roca circundante es directamente proporcional a la PB, entonces se puede disminuir la PB disminuyendo la 1 y la D de la MEC. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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SISTEMAS DE LA VOLADURA CONTROLADA MAS USADOS COMUNMENTE Los que más se usan en la minería nacional e internacional son los siguientes: a. Perforación en línea (line drilling) b. Precorte (pre-splitting, pre-shearing, pre-slotting or stress relieving) c. Precorte con espaciamiento de aire (air deck presplitting) d. Voladura de recorte e. Voladura lisa (smooth blasting) f. Voladura suave (cushion blasting) g. Voladura amortiguada (buffer blasting) P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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Como se mencionó, la voladura controlada usa diversas operaciones mineras subterráneas, superficiales y obras de ingeniería civil, con el único objetivo de proteger la roca circundante a la labor que se está trabajando. En el presente curso, se estudiará principalmente la voladura controlada llamada precorte convencional y precorte,, usando cámaras de aire. p


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PRECORTE (Pre-splitting, pre-shearing, pre-slotting or stress relieving) Existen varias definiciones, entre siguientes:

ellas

tenemos

las

Consiste en crear un plano de contacto o de fracturas en el macizo rocoso antes que los disparo de producción hayan sido iniciados. Esto se logrará perforando una fila de taladros generalmente de diámetros pequeños, los cuales son cargados con MEC desacopladas. Se debe S d b mencionar i que la l iniciación i i i ió de d los l taladros t l d d l predel corte puede efectuarse simultáneamente con los taladros que conforman los taladros y los disparos de producción, pero la detonación de los primeros deben ser entre 90 a 120 m de adelanto. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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Es perforar una fila de taladros cercanamente espaciados y con un ángulo correcto respecto del límite de la excavación planeada; dichos taladros son ligeramente cargados con MEC adecuadas y deben ser detonados instantáneamente antes que el disparo de producción se haya iniciado. Lo anterior generará una falla tensional, la cual creará una fractura entre taladro y taladro, la que permitirá la disipación de las fuerzas y la expansión de los gases que provienen del disparo de producción. Según g Holmes, esta técnica es la creación en el macizo rocoso de una superficie plana o plano de cizallamiento mediante el uso controlado de las MEC y sus accesorios en taladros con un alineamiento y espaciamientos adecuados.



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El precorte convencional, como se sabe, usa cargas explosivas desacopladas y/o espaciadas. Taco

El diagrama presentado muestra una carga explosiva desacoplada.

C Carga d desacoplada l d


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El siguiente diagrama conceptual muestra una carga explosiva espaciada: ST1 E1 ST2 E2 ST3 E3 ST4 E4



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El diagrama conceptual muestra el enlace entre taladros producido por la acción de ciertas grietas radiales generadas por la detonación de una MEC, que ha sido cargada en una cantidad mínima en cada uno de los taladros.


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OBJETIVOS Entre los principales objetivos de esta metodología se tiene los siguientes:  Reducir el fracturamiento hacia atrás.  Controlar el talud de las paredes finales del pit, de las chimeneas, de las galerías, de las canteras, de los bancos, entre otros.  Aislar el disparo de producción de la roca remanente mediante la creación de una fisura a lo largo del perímetro del disparo. p Esto se consigue g p perforando una fila simple p de taladros paralelos y cercanamente espaciados ubicados en el perímetro de la excavación Luego, dichos taladros deben ser cargados y detonados adecuadamente y en forma simultánea antes de la detonación del disparo de producción, etc. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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LA PRESION DENTRO DE LOS TALADROS (PB) Está definida como la presión máxima inicial (Pi) desarrollada dentro de los taladros por una detonación de cualquiera MEC. Según el Dr. Melvin Cook, la curva que representa a la presión y al tiempo de una MEC cualquiera en la voladura de un taladro se caracteriza por las siguientes propiedades:  La intensidad  La presión dentro del taladro (Pb)  La máxima energía disponible (MAE) P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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Todas las propiedades mencionadas y las condiciones de carguío determinan qué rápidamente la presión decrece desde la presión máxima (Pi) hasta la presión efectiva final (Pf) donde esta termina de hacer el trabajo útil para (Pf), fracturar al macizo rocoso.



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En una de sus tantas investigaciones, el Dr. Melvin Cook demostró que para la mayoría de las MEC se cumple la siguiente aproximación:

P3  0.5 P2 Donde P3 es la presión de explosión o presión adiabática, la cual puede ser definida como la presión hi téti que podría hipotética d í ser desarrollada d ll d por la l explosión l ió de d una MEC cualquiera a volumen constante y sin transferencias de calor a las partes circundantes del taladro. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

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Generalmente por el factor de conversión para la presión dentro del taladro (Pb), en lb/pulg2, y la velocidad de detonación (D), en pies/s, y 1 teniendo a será  de la siguiente forma:

Pb  1.6857 x 10 3  D 2 Donde Pb: presión dentro del taladro (psi) : densidad de la MEC (g/cc) D: velocidad de detonación de la MEC (ft/s)



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El Dr. Alan Bauer propone la siguiente expresión matemática para determinar la Pb.

Donde : ri  re ; ri  rh r  Pb  1.69 x10 3  D 2  e   rh 

2.4

Donde Pb: presión dentro del taladro (psi) : densidad de la MEC (g  (g/cc)) D: velocidad de detonación de la MEC (ft/s) re: radio de la MEC (pulg) rh: radio del taladro (pulg)


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La ecuación anterior es usada cuando la MEC no llena completamente el volumen del taladro; es decir, la MEC ha sido desacoplada. Si la columna de la MEC ha sido desacoplada y adicionalmente esta no es continua, continua por ejemplo cuando se usa algunos espaciadores, se debe usar la siguiente fórmula:

r  Pb  1.69 x10 3  D 2  e C   rh 

2.4

Donde C es el porcentaje de la columna de la carga explosiva total que ha sido cargada, así por ejemplo si se usa cartuchos de MEC de 12’’ y espaciadores también de 12”, entonces el valor de C será igual a 0.50. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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El espaciamiento entre los taladros del precorte puede ser expresado matemáticamente de la siguiente manera:

S

2rb Pb  T  T

Donde S: espaciamiento entre los taladros (pulg) rb: radio del taladro (p (pulg) g) 2rb: diámetro del taladro en pulgadas Pb: presión dentro del taladro (psi) T: resistencia tensional de la roca (psi)


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Diámetro de los taladros (pulg)

Espaciamiento (ft)

Carga explosiva (lb/Ft)

1.50-1.75

1.00-1.50

0.08-0.25

2.00-2.50

1.50-2.00

0.08-0.25

3.00-3.50

1.50-3.00

0.13-0.50

4.00

2.00-4.00

0.25-0.75

Tabla que muestra algunas especificaciones genéricas promedio para el precorte.


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Gráfico que muestra los rangos recomendados para los espaciamientos de los taladros como una función del diámetro de estos para el precorte. P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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