Vibraciones y daño en Voladura de Túnel_ISEM-2000

MONITOREO Y MODELAMIENTO DE VIBRACIONES POR VOLADURA

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“MONITOREO Y MODELAMIENTO DE VIBRACIONES PARA LA EVALUACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE LAS VOLADURAS DE DESARROLLO HORIZONTAL” Carlos R. Scherpenisse, Ing.(1) , William R. Adamson, PhD.(2) , Juan C. Díaz, Ing.(3) , BLASTRONICS S.A. (1) Director-Gerente General, (2) Director, (3) Ing. Estudios. ASP BLASTRONICS

RESUMEN La voladura representa una de las operaciones unitarias de mayor relevancia en toda operación de extracción de mineral. Su objetivo terminal es lograr un adecuado grado de fragmentación de la roca, de tal modo que haga mínimo el costo combinado de las operaciones de perforación, voladura, transporte y chancado primario de la roca, produciendo a la vez el menor daño posible en las cercanías de ésta. El alto grado de influencia de los resultados de la voladura, en los restantes procesos del ciclo operacional, hace evidente la necesidad de contar con la experiencia y tecnología que permitan evaluar y posteriormente optimizar esta operación unitaria. El empleo adecuado del Monitoreo de Vibraciones producto de voladuras, es una técnica que provee múltiples ventajas en términos de poder examinar en detalle el proceso de la voladura. En efecto, la medición de los niveles de velocidad de partículas que provoca la detonación de cada carga explosiva, es un medio a través del cual es posible conocer su eficiencia relativa, su interacción con las cargas adyacentes y en definitiva el rendimiento general del diseño. Así, el monitoreo de las vibraciones en la roca causadas por una voladura, ha sido utilizado como una herramienta de diagnóstico de ésta, ést a, ya que la adecuada interpretación del registro registro de vibraciones vibraciones permite determinar el grado de interacción entre las variables de una voladura, pudiéndose evaluar por ejemplo: cargas detonando en una secuencia de encendido incorrecta; dispersión en los tiempos de encendido de los retardos; detonación deficiente de cargas; detonaciones instantáneas; detonación de cargas adyacentes por simpatía; además de la cuantificación de los niveles de velocidad, frecuencia, aceleración y desplazamiento de las partículas de roca, roca, etc.

4º Seminario Internacional Internacional de de Seguridad Seguridad Minera, Minera, Lima - PERÚ, PERÚ, Febrero 2000. 2000. (Scherpenisse C.R., Adamson W.R., Díaz J. C.) C.)


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Otro aporte importante del empleo de ésta tecnología, es el de obtener los niveles de velocidad de partícula absolutos, para cada una de las cargas explosivas, las que asociadas a las distancias en que se registra dicha detonación conforman una base de datos con la cual se ajustan los modelos de comportamiento y se evalúa el daño potencial que esa vibración puede producir. Las vibraciones producidas por las voladuras y el conocimiento de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, permite estimar la probabilidad de ocasionar daño en dicho macizo. Los altos niveles de vibración pueden dañar al macizo rocoso, produciendo fracturas nuevas o extendiendo y dilatando fracturas existentes. La vibración en este contexto, puede ser considerada como un esfuerzo o deformación del macizo rocoso. Se describe en este trabajo algunos casos de aplicación de la técnica de monitoreo de vibraciones particularmente en Mina Subterránea y su importancia en el diagnóstico, control, modelamiento y optimización del proceso de la voladura. Se analiza su potencial en términos de alcanzar substantivas mejoras técnicoeconómicas, aumentar los rendimientos y minimizar los costos operacionales en esta etapa de la explotación minera.

1.-

INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES GENERALES

El empleo adecuado del Monitoreo de Vibraciones producto de voladuras, es una técnica que provee múltiples ventajas en términos de poder examinar en detalle el proceso de la voladura. En efecto, la medición de los niveles de velocidad de partículas que provoca la detonación de cada carga explosiva, es un medio a través del cual es posible conocer su eficiencia relativa, su interacción con las cargas adyacentes y en definitiva el rendimiento general del diseño. Otro aporte importante del empleo de ésta tecnología, es el de obtener los niveles de velocidad de partícula absolutos, también, para cada una de las cargas explosivas. Estos valores tienen importancia tanto en lo que respecta a estudiar la eficiencia de un grupo de cargas, que al ser similares deben producir en el punto de medición un nivel también similar, y por otro lado provee información para evaluar el daño potencial que esa vibración puede producir. Todo lo indicado en los párrafos anteriores será posible sólo si la técnica es empleada correctamente, mereciendo especial atención los aspectos de: ubicación, orientación y acoplamiento de los geófonos utilizados como sensores, según y como el instrumento empleado como capturador y analizador de la onda ha sido 4º Seminario Internacional de Seguridad Minera, Lima - PERÚ, Febrero 2000. (Scherpenisse C.R., Adamson W.R., Díaz J. C.)


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configurado para la medición, particularmente en relación a la resolución de tiempo de muestreo, rangos de velocidad y procedimientos de análisis. Usualmente se emplean geófonos en arreglos biaxiales o triaxiales a diferentes distancias según el tipo de voladuras monitoreadas, la señal detectada por estos geófonos es transmitida por cable al Monitor de Vibraciones Blastronics BMX.

La información recolectada es grabada en archivos digitales los que

posteriormente son analizados para identificar los aspectos de la señal, que como se mencionó previamente, dan cuenta de las características de la voladura.

Comportamiento de la Velocidad de Partícula Varios son los modelos experimentales que representan la velocidad de partícula en funció n del explosivo detonado y la distancia a la que se registra dicha detonación, entre los más conocidos se encuentran el Modelo General (ecuación 1) y el de Regresión Múltiple (ecuación 3).

Modelo General PPV

= K * D −

a

(1)

Donde: PPV D K α

= = = =

Velocidad de Partícula (mm/s) Distancia Escalar Factor de Velocidad Factor de Decaimiento

El término "D" o distancia escalar, da cuenta de la influencia de la distancia en [m], y la cantidad de explosivo en [Kg]. En relación a ésta formulación matemática existen varios criterios derivados de los cuales se emplea comúnmente el de Devine (ecuación 2). En la expresión de la ecuación 2,

"W" corresponde al peso de la carga

detonada

en

forma

 d  V = K *  W 2    1/

−α

(2)

instantánea en kilogramos y "d" la distancia a la cual se cuantifica la velocidad de partícula. Teóricamente, éste criterio es el que mejor 4º Seminario Internacional de Seguridad Minera, Lima - PERÚ, Febrero 2000. (Scherpenisse C.R., Adamson W.R., Díaz J. C.)


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representa el comportamiento de la vibración, para el campo lejano (aproximadamente d > 3 largo de la carga), generadas por el tipo de cargas explosivas usadas en voladuras de rajo abierto, esto es, columnas explosivas cilíndricas, donde se tiene por análisis adimensional que las distancias deben ser corregidas por la raíz cuadrada de la carga.

Modelo Holmberg & Persson Otros autores (ecuación 3), no consideran

PPV = K * d - β * W α

una simetría de carga particular y utilizan la

(3)

siguiente expresión. En el área más cercana a las cargas explosivas (donde se produce el mayor fracturamiento), esta ecuación puede ser modificada para tomar en cuenta la longitud de una carga de forma cilíndrica. La forma matemática del modelo de vibración en el campo cercano propuesto por Holmberg&Persson (1979), es la presentada a continuación (ecuación 4), según los términos detallados en la Figura 1.

PPV

  = K γ α   

α

H

∫

[

0 R 2 0

dh

+ ( R0

Tanφ

−x

2

)]

β/ 2α

    

(4)

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Figura 1: Descripción de los parámetros utilizados por el modelo de Holmberg & Persson En la Tabla 1, se presentan diferentes valores para los parámetros del Modelo Devine (K y Alfa), obtenidos en diferentes tipos de roca y distintas faenas mineras del país. Esta gran variabilidad para el factor K desde un mínimo de 99 hasta un máximo de 703 (7 veces mayor) y para el Factor de Atenuación Alfa desde -1.54 hasta -2.49, determinan que el uso indiscriminado de estos modelos y la transferencia de estos desde una mina a otra o desde un sector a otro en la misma mina puede significar estimar un gran margen de error las vibraciones y como consecuencia de ello las restricciones a las voladuras y los criterios de daño

Tabla 1:

Variabilidad en los parámetros del Modelo de Vibración Devine, para Diferentes Minas y Macizos Rocosos.

Factor de Amplitud

Factor de Atenuación

Factor de Amplitud

Factor de Atenuación

K

Alfa

K

Alfa

500 321 495 262 284 481 299 597

-2.11 -2.39 -2.12 -2.28 -1.72 -1.74 -2.48 -2.32

227 499 175 112 428 168 703 177

-1.60 -2.01 -1.63 -1.94 -2.49 -1.54 -2.21 -2.04

K

Máximo =

703

Alfa Máximo =

-2.49

K

Mínimo =

99

Alfa Mínimo =

-1.54

K Promedio =

357

Alfa Promedio =

-2.07

Esta variabilidad en los parámetros del Modelo Devine, da cuenta de la gran importancia que tiene establecer para cada tipo de macizo rocoso en particular, la ecuación de comportamiento de las vibraciones, la que está directamente relacionada con las propiedades geomecánicas, tipos de explosivos, aspectos geométricos, etc., y por tanto, deben ser estimados como consecuencia de una campaña de monitoreo y modelamiento, en forma independiente no sólo en cada mina si no en cada dominio geomecánico de la misma.



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Estimación de la Velocidad de Partícula Crítica Teórica Los altos niveles de vibración pueden dañar al macizo rocoso, produciendo fracturas nuevas o extendiendo y dilatando fracturas existentes. La vibración en este contexto, puede ser considerada como un esfuerzo o deformación del macizo rocoso. Con bajos niveles de vibración, tales como los presentes a grandes distancias de las voladuras, los niveles de deformación son muy pequeños para inducir el fracturamiento del macizo rocoso. A menores distancias, las vibraciones son suficientemente altas para extender las fracturas preexistentes, pero insuficientes para inducir nuevo fracturamiento. Muy cerca de las cargas explosivas, sin embargo, los niveles de vibración son lo suficientemente altos como para afectar a la matriz de roca y producir diferentes grados de fracturamiento a su alrededor. La velocidad vibracional de las partículas, frecuentemente es relacionada con su habilidad para inducir nuevo fracturamiento, a través de la relación entre velocidad de partícula y deformación de partícula, válido esto para una condición de roca confinada en la vecindad inmediata a las cargas explosivas, en donde el impacto de la voladura es más intenso y los niveles de esfuerzos inducidos son similares a los esfuerzos necesarios para la fragmentación de la roca. Dada ésta relación con la deformación, es que el análisis de velocidad de partícula tiene la cualidad de ser un buen método para estimar el grado de fracturamiento inducido por la voladura. De acuerdo a lo indicado:

ε = PPV / Vp Esta ecuación presenta la relación entre la Velocidad de Partícula; PPV, la deformación inducida;

(4)

ε ε

, para

una roca con Velocidad de la Onda de Compresión; Vp. Esta ecuación supone una elasticidad lineal de la roca a través de la cual la vibración está propagándose y hace una estimación razonable para la relación entre la roca fracturada y la vibración inducida. De la Ley de Hooke y asumiendo un comportamiento elástico de la roca, la Velocidad de Partícula Máxima (Crítica) , PPVc , que puede ser soportada por la roca antes de que ocurra el fallamiento por tensión, es estimada conociendo la Resistencia a la Tracción ( σσ t), el Modulo de Young, E, y la Velocidad de propagación de la Onda P, Vp, usando la ecuación: 4º Seminario Internacional de Seguridad Minera, Lima - PERÚ, Febrero 2000. (Scherpenisse C.R., Adamson W.R., Díaz J. C.)


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PPVc = σ t Vp E

(5)

En función de los antecedentes proporcionados a ASP BLASTRONICS por diferentes Minas, se empleó la ecuación (5) para estimar en primera aproximación la Velocidad de Partícula Máxima o Crítica para algunos tipos de roca más frecuentes. En la Tabla 2, se resumen los datos y el valor calculado para los tipos de roca analizados. En la última columna, se muestra el cálculo del PPVc, definido como el nivel sobre el cual se generará un daño produciendo nuevas fracturas a la roca. Una estimación del nivel de Velocidad de Partícula sobre el cual se produce el daño más intenso (trituración), puede ser estimado como el valor aproximado a 4 veces el nivel para el daño incipiente (4 x PPVc). Finalmente, se estima que un nivel equivalente a la cuarta parte, es decir 25% del valor de PPVc, es suficiente para iniciar extensión de fracturas preexistentes. Se sugiere ocupar este nivel de 1/4 PPVc, como un límite conservador y a partir del cual se deben controlar los diseños de carguío para que las voladuras no ocasionen daño al macizo rocoso.

Tabla 2:

Estimación de Velocidad de Partícula Crítica Teórica en distintos tipo de Roca

Tipo de Roca

Resistencia a la Tracción [MPa]

Velocidad de Onda P [m/s]

Módulo Young [GPa]

Velocidad de Partícula Crítica [mm/s]

Cuarzo-1 Brecha-1 Milonita Ox-1 Ox-2 Cuarzo-2 Brecha-2 Andesita-1 Diorita Brecha-3 Pórfido-1 Pórfido-2

14.0 7.3 1.9 6.7 7.2 8.4 3.9 14.9 13.2 11.3 6.7 5.1

5 102 4 298 2 940 4 373 4 804 4 207 4 041 4 975 4 650 4 650 3 829 3 661

55.5 30.2 14.6 35.2 44.4 42.7 39.3 67.3 48.6 58.3 31.2 46.6

1 286 1 037 380 836 774 823 401 1 100 1 260 900 823 401



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Los valores de Velocidad de Partícula Crítica calculados en la Tabla 2, son producto de las características físicas de la roca, y la precisión en su estimación depende de la calidad y cantidad de los datos de ensayos ocupados en su cálculo, recordándose que sigue siendo una estimación y deben constantemente ajustarse con mediciones en terreno, que den cuenta cuantitativamente del daño y que permitan establecer con mayor precisión e in-situ, la capacidad de macizo rocoso para soportar niveles de vibración en el rango estimado. Los niveles de Velocidad Partícula Crítica entregados en la Tabla 2, pueden diferir de los mencionados habitualmente en la literatura técnica al respecto.

Estas diferencias refleja la gran importancia que tiene

establecer para cada tipo de macizo rocoso en particular los límites de daño, los que están directamente relacionados con sus propiedades geomecánicas y por tanto deben ser estimados en forma independiente no sólo en cada mina si no en cada dominio geomecánico de la misma. El daño es causado principalmente por 3 mecanismos que son; La generación de nuevas grietas en la roca al superar un nivel crítico de velocidad partícula, extensión y apertura de fracturas existentes por la acción de una excesiva presión de gases, y finalmente, la desestabilización de bloques, cuñas, etc, debido a la alteración de las propiedades de las estructuras geológicas. De estos mecanismos, es importante reconocer que los dos primeros afectan al campo cercano (<50 metros del límite de la voladura), mientras que el último mecanismo puede ocurrir en el campo lejano (> 50 metros). La gran cantidad de variables que interactúan en una voladura, hace necesario el adaptar y desarrollar técnicas que permitan una óptima evaluación de este proceso, antes, durante y después de su ocurrencia, así como de una adecuada cuantificación y control del daño que ella puede producir.

Análisis de Registros de Vibración Cada registro de los monitoreos, es analizado de varios aspectos, como son: investigar el rendimiento del diseño en términos de su eficiencia de detonación, la precisión de los retardos, y el desarrollo correcto del disparo. Típicamente el análisis incluye un exhaustivo conocimiento del diagrama del disparo, considerando todos los datos de diseño.



Figura 2 :

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Registro de Vibraciones típico en voladura de desarrollo horizontal.

Figura 3a y 3b : Vibraciones del sector de la rainura, para el caso de una voladura con buen y mal resultado respectivamente.

La base del análisis es el registro de vibración propiamente tal, se muestra en forma completa en la Figura 2. De éste registro, es posible obtener con exactitud los tiempos de detonación de cada carga (y por lo tanto el rendimiento o precisión de los retardos), además de la eficiencia de la detonación de cada carga en base de su amplitud relativa, su vibración en valor absoluto y posteriormente analizar cada sección del diseño (por ejemplo la rainura) por separado en más detalle, incluso haciendo comparaciones entre un resultado



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satisfactorio (Figura 3a) y uno que indica la existencia de varios problemas en el funcionamiento del diseño o su ejecución (Figura 3b). A continuación se detallan los resultados al realizar a cada diseño estudiado, los análisis respectivos:

2.-

ANÁLISIS DE LOS TIEMPOS DE LOS RETARDOS

Como se mencionó previamente, a través del monitoreo de las vibraciones producidas por las cargas explosivas analizadas, es posible extraer los tiempos de detonación asociados al retardo nominal empleado por cada una. La tabla siguiente muestra los tiempos obtenidos para cada uno de los retardos de la Serie LP, y un análisis estadístico de ellos para los casos con más de 8 muestras, indicándose los tiempos mínimos y máximos, el promedio y la desviación estándar. Tabla 3: Resumen y Análisis de los Tiempos de Retardos. Nº Retardo (Tiempo Nominal)

Cantidad #

Rango de Tiempo (ms) Mín - Máx

Tiempo Promedio

Desviación

(ms)

(ms) / (%)

4 LP (1 000 ms)

9

1 071 - 1 114

1 094

13.5 / 1.2

5 LP (1 400 ms)

10

1 423 - 1 475

1 443

15.0 / 1.0

6 LP (1 800 ms)

13

1 926 - 2 030

1 976

30.1 / 1.5

7 LP (2 400 ms)

18

2 607 - 2 836

2 713

50.5 / 1.9

8 LP (3 000 ms)

18

3 154 - 3 314

3 232

46.7 / 1.4

10 LP (4 600 ms)

27

4 668 - 4 960

4 823

81.8 / 1.7

11 LP (5 500 ms)

11

5 691 - 5 914

5 793

67.9 / 1.2

12 LP (6 400 ms)

13

6 360 - 7 298

6 743

246.2 / 3.7

13 LP (7 400 ms)

8

7 754 - 8 172

7 924

129.4 / 1.6

Se puede objetar la no corrección de estos tiempos por la variable tiempo de viaje de las ondas, aspecto que sin embargo es de menor relevancia en mina subterránea dado la calidad del macizo rocoso y su velocidad de propagación (Vp). Dada la condición de que todas las mediciones estuvieron en un rango 20m el tiempo de viaje toma valores entre 2.5ms a 5ms con un Vp de 4000m/s, los que no modifican substancialmente los resultados del análisis dado la magnitud de los tiempos involucrados. 4º Seminario Internacional de Seguridad Minera, Lima - PERÚ, Febrero 2000. (Scherpenisse C.R., Adamson W.R., Díaz J. C.)


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Los resultados del análisis estadístico, describen en general una buena calidad de los accesorios, particularmente en el aspecto precisión, es decir la desviación de los datos respecto de su media, con porcentajes no superior al 1.9% a excepción de uno con un 3.7%. Otro aspecto que cabe destacar es la no existencia de superposición alguna entre los retardos de la Serie LP analizada, respecto de los tiempo mínimos y máximos de retardos consecutivos. Esta cualidad, asegura el correcto desarrollo de la voladura en términos de la secuencia de salida y detonación.

3.-

EFICIENCIA GENERAL DE LOS DISEÑOS

Con el análisis realizado a los registros de vibraciones de cada voladura, es posible establecer la eficiencia relativa de cada sector de la voladura y la eficiencia general de la voladura, en base al número detectable de cargas respecto del total empleado. Tabla 4 :

Resumen rendimiento parcial y total de las voladuras estudiadas.

Disparo 1 2 3 4

Diseño Labor 5.4x4.5 5.4x4.5 5x4 5x4

Rainura

Auxiliares

Contorno

Zapatera

TOTAL

13/12

19/16

21/8

7/4

60/40

(92%)

(84%)

(38%)

(57%)

(67%)

13/3

19/12

21/12

7/1

60/28

(23%)

(63%)

(57%)

(14%)

(47%)

13/13

15/14

19/9

6/3

53/39

(100%)

(93%)

(47%)

(50%)

(74%)

13/11

19/18

21/9

7/4

60/42

(85%)

(95%)

(43%)

(57%)

(70%)

Nota: TC/TD,

TC, representa la cantidad de Tiros Cargados y TD la cantidad de Tiros efectivamente Detectados con el monitoreo. (nn%), Porcentaje de cargas detectadas. Para la columna TOTAL se dio igual peso relativo a cada carga en el diseño.



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De las cuatro voladuras analizadas, tres de ellas mostraron en general un buen rendimiento en los tiros del sector rainura (12, 13 y 11 sobre un total de 13), y uno de ellos una muy baja eficiencia (3 de nivel aceptable y 4 apenas perceptible, es decir 3/13 o un 23% de eficiencia). Reconociéndose al sector de la rainura como la parte más importante en éste tipo de voladura, debe colocarse especial interés por asegurar su máxima eficiencia. El principal elemento que acentúa la falla o baja detonación de algunas cargas de la rainura, es la poca distancia entre las cargas en esa zona, las que por lo general están dentro del rango crítico de influencia de las demás y cualquier error en el empate de la perforación o desviación de ella definirá una distancia inferior. Las dimensiones de uno de los casos estudiados agrupó un total de 9 cargas en un área de 50 cms ² , lo que define en consecuencia distancias mínimas entre algunas cargas de sólo 18 cms. Estas distancias pueden verse fuertemente afectadas por error en el empate de la perforación y por efecto de la desviación, la que puede ser estimada como un 5% de la longitud del tiro (que para una longitud de 4m), es decir un error en el fondo del tiro de ±20 cms, lo que obviamente podría significar una interacción entre los tiros más cercanos. Esta menor distancia determinará que la detonación de una carga explosiva altere o modifique físicamente las cargas explosivas cercanas y en un caso extremo produzca la detonación de algunas de ellas por simpatía. Una baja eficiencia de la rainura definirá en muchos casos la eficiencia general del diseño, dado que el resto de los tiros realiza fundamentalmente el papel de desquinchar hacia la "cara libre" dejada por la rainura. Un mal rendimiento de la rainura por su parte dejara un disparo altamente confinado con efecto hacia los tiros auxiliares, los que al no poder desplazar la roca hacia el burden, tenderán a dañar a los tiros (con un alto tiempo entre ellos, Serie LP) en su entorno provocando alteraciones que bajan también la eficiencia del resto de los tiros, con acciones como por ejemplo la perdida de la zona del taco con consecuencia de perdida de confinamiento. Un ejemplo típico de ésto, es la continua presencia de explosivo encartuchado en la marina después de tronar. Un caso típico de la importancia de la rainura esta dado en el segundo monitoreo, en donde la rainura con solo un 23% (3/13), produjo que también los auxiliares tuviesen baja eficiencia (67%).



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DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA

4.-

En base a los diseños teóricos asociados a las voladuras evaluadas, es posible realizar un análisis de la distribución de la energía o factor de carga, tanto a nivel de disparo completo como al sector específico de la rainura. La Figura 4a, muestra la distribución espacial de la energía para todo el disparo, considerando la posición teórica (ideal) de los tiros en toda el área, la Figura 4b, muestra la misma distribución pero ahora reproduciendo aproximadamente la distribución de los tiros observada en terreno para la misma voladura, lo que ratifica claramente un rendimiento deficiente detectado por el análisis de las vibraciones. La altas concentraciones de cargas producidas por la perforación inadecuada, explica y justifica el que varios tiros de esa rainura y del resto del disparo trabajen deficientemente. Este análisis demuestra claramente lo importante que es perforar cada disparo con el máximo cuidado y atención, para que el diseño se realice y funcione correctamente. Si algunas perforaciones se acercan en demasía, puede ocurrir una interacción negativa entre algunas de las cargas explosivas, significando el no funcionamiento o la detonación deficiente de ellas. Las consecuencias de tal efecto tiene gran influencia en el rendimiento general del diseño, (avance, granulometría, daño, etc.). La técnica de evaluación de distribución de energía, también nos permite evaluar varios opciones distintas de diseño, con respecto a la perforación y la carga explosiva contenida en cada tiro, analizándose las posibles diferencias en eficiencia según la distribución de energía que resulta de cada alternativa.



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Figura 4 (a)

5.-

Figura 4 (b)

ANÁLISIS Y MODELAMIENTO DE LAS VIBRACIONES

El análisis de los registros de vibraciones, permite conocer la velocidad de partículas que genera cada carga o grupos de cargas en la voladura. En la tabla siguiente, se presentan los niveles más representativos de cada sección de las voladuras estudiadas, reconociéndose entre ellos, para un mismo disparo, diferencias importantes en nivel, consecuente con la diferencia en la cantidad y tipo de carga explosiva empleada en cada grupo de tiros. Tabla 5: Resumen de las vibraciones para cada sector de tiros en las Voladuras Monitoreadas.

1

Distancia Aprox. [m] 20

Rainura [mm/s] 38

Aux. Rainura [mm/s] 57

Aux. Contorno [mm/s] 73

Contorno [mm/s] 16

Zapateras [mm/s] 24

2

20

20

40

41

12

23

3

20

31

42

35

11

26

4

12

48

66

77

15

68

Disparo

Con un análisis más detallado de las vibraciones producidas por cada carga, es posible establecer pares de datos que relacionan la Velocidad de Partícula con la carga explosiva y distancia al detector. El análisis de estos datos permite ajustar los modelos de vibración descritos previamente y utilizar dichas ecuaciones para estimar las vibraciones para una carga o un conjunto de cargas en el ámbito de distancias en que cada modelo es válido.

Comparación Modelos Devine y Holmberg Para el modelamiento en el campo cercano, se requiere primero de datos vibracionales adquiridos lo más cercano posible a una carga explosiva típica, con geófonos o acelerómetros de un alto rango dinámico de respuesta, capacitados para medir niveles más altos de vibración. Por otra parte en el proceso de análisis, se ajustan los datos de vibraciones al modelo cercano propuesto por Holmberg & Persson, que considera la carga explosiva en forma distribuida, tomando especial importancia los aspectos geométricos y de distancia a la carga, longitud, largo del taco, densidad lineal del explosivo, etc., a diferencia del modelamiento tradicional 4º Seminario Internacional de Seguridad Minera, Lima - PERÚ, Febrero 2000. (Scherpenisse C.R., Adamson W.R., Díaz J. C.)


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con Devine que utiliza una sola distancia para el total de la carga explosiva, es decir, ésta como concentrada en un punto, consideración válida para distancias de más de 2 ó 3 veces la longitud de la carga explosiva.

Figura 5:

Diferencia en la predicción de Vibraciones según el Modelo Devine y Holmberg & Persson.

Debido justamente a esa diferencia de considerar la carga explosiva distribuida (Modelo Cercano de Holmberg&Persson) y la carga concentrada en un punto (Modelo Devine), es que ambos modelos difieren fuertemente en el área más cercana a la carga explosiva, produciéndose por parte del modelo Devine una sobre estimación de las velocidades de partícula, como se puede apreciar en la Figura 5.

Contornos de Daño en Túnel Utilizando este modelo de Holmberg & Persson es posible estimar con bastante confianza las vibraciones que se generarán en los alrededores de una carga explosiva típica en desarrollo horizontal, el que determina que a distancias menores a 1.5m se sobrepasen rápidamente los niveles para daño intenso. Esta situación podría significar, como lo muestra la Figura 6, que los tiros auxiliares generen previamente niveles de vibración suficientemente altos a una distancia que supera el contorno de la labor aumentando la 4º Seminario Internacional de Seguridad Minera, Lima - PERÚ, Febrero 2000. (Scherpenisse C.R., Adamson W.R., Díaz J. C.)


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probabilidad de daño en el techo y pilares, negando en consecuencia los beneficios y efectividad de los tiros de contorno con cargas desacopladas. Se verifica de algún modo este efecto por los niveles de vibración detectados de los tiros auxiliares de contorno, que como se muestran en la Tabla 5, presentan los valores de velocidad de partícula más altos en todas las voladuras monitoreadas.

Figura 6:

6.-

ü

Zonas de daño en Túnel por altos Niveles de Vibración

CONCLUSIONES El empleo adecuado del Monitoreo de Vibraciones producto de voladuras, es una técnica que provee múltiples ventajas en términos de poder examinar en detalle el proceso de la voladura, constituyéndose en una muy buena herramienta para el diagnóstico, ya que la adecuada interpretación del registro de vibraciones permite determinar el grado de interacción entre las variables de una voladura, pudiéndose evaluar por ejemplo: cargas detonando en una secuencia de encendido incorrecta; dispersión en los tiempos de encendido de los retardos; detonación deficiente de cargas; detonaciones instantáneas; detonación de cargas adyacentes por simpatía; además de la cuantificación de los niveles de velocidad, frecuencia, aceleración y desplazamiento de las partículas de roca, etc., en definitiva el rendimiento general del diseño.

ü

Otro aporte importante del empleo de ésta tecnología, es el de obtener los niveles de velocidad de partícula absolutos, para cada una de las cargas explosivas, las que asociadas a las distancias en que se 4º Seminario Internacional de Seguridad Minera, Lima - PERÚ, Febrero 2000. (Scherpenisse C.R., Adamson W.R., Díaz J. C.)


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registra dicha detonación conforman una buena base de datos, que permite construir modelos confiables de predicción de vibración, con los cuales se pueden evaluar diferentes modificaciones a los distintos parámetros de la voladura, tales como tipo y cantidad de explosivo según distancia y evaluar el daño potencial que esa vibración puede producir. ü

Todo lo indicado en los párrafos anteriores será posible sólo si la técnica es empleada correctamente, mereciendo especial atención los aspectos de: ubicación, orientación y acoplamiento de los geófonos utilizados como sensores, según y como el instrumento empleado como capturador y analizador de la onda ha sido configurado para la medición, particularmente en relación a la resolución de tiempo de muestreo, rangos de velocidad y procedimientos de análisis.

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Se demostró que los parámetros de ajuste de estos modelos son directamente dependientes del comportamiento de las vibraciones en cada tipo de roca, los que presentan un amplio rango de variabilidad, y lo que influye fuertemente en los niveles de vibración predichos por cada uno de ellos, restringiéndose su aplicación sólo a la mina y sector donde fueron obtenidos.

Estos tipos de

modelamiento tiene ventajas y desventajas, ya que utilizan sólo algunos factores del diseño de voladura para su predicción (peso de la carga explosiva, distancia y atenuación según la roca), pero NO considera otros factores como : El tamaño de la Voladura, Los Retardos y la Secuencia de Iniciación, y el grado de Confinamiento. ü

Las vibraciones producidas por las voladuras y el conocimiento de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, permiten estimar la probabilidad de ocasionar daño en dicho macizo. Los altos niveles de vibración pueden dañar la roca, produciendo fracturas nuevas o extendiendo y dilatando fracturas existentes. La vibración en este contexto, puede ser considerada como un esfuerzo o deformación del macizo rocoso. Se muestra también en este trabajo un conjunto de datos representativos de diferentes tipo de rocas y los valores calculados para la Velocidad de Partícula Crítica (PPVc), valor que se puede usar inicialmente como referencia a partir del cual la vibración produce daño a nivel de la matriz de roca, los valores presentados, también dan cuenta de una importante variación en las magnitudes de vibración que es capaz de resistir cada tipo de roca, debiendo en consecuencia tomarse mucha precaución respecto de los valores promedios manejados tradicionalmente en la literatura.



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Específicamente en las Voladuras de Desarrollo Horizontal, debe reconocerse a la rainura como la parte más importante en el diseño, en la cual por tanto, deben concentrarse los esfuerzos para tener el mejor diseño teórico y la mayor atención en su implementación práctica. Una baja eficiencia en ella, determinará irremediablemente una menor eficiencia del disparo en su totalidad, dado que el resto de los tiros realiza fundamentalmente un papel de desquinchar hacia la “cara libre” dejada por la rainura.

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En general, las dimensiones de las rainura están entre los 50 y 70 cms 2 , conteniendo entre 8 y 12 tiros, los que se ubican siempre en rangos de distancias críticas de influencia entre cargas explosivas cercanas, más aún, si la perforación incorpora márgenes de error por aspectos de empate y desviación. La definición del diseño óptimo, pasa necesariamente por un proceso de experimentación práctica orientado a una ampliación controlada de las dimensiones o distancias entre tiros (o menos tiros), que permita establecer la mejor cantidad de cargas y tiempos de iniciación para cada tipo de roca.

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En la actualidad los accesorios presentan una muy buena calidad en términos de la desviación o dispersión de los tiempos de retardo, con valores que no superan el 2%, pudiendo disponer además de series especiales diferentes a las tradicionales, antiguas y aún utilizadas series MS y LP. Estas nuevas Series Especiales (más amplias y con menores diferencias entre números consecutivos), permiten un mejor manejo de los tiempo en un disparo, evitando los tiempos excesivamente largos, los que por lo general provocan alteraciones como por ejemplo pérdida de la zona del taco y por lo tanto del confinamiento y energía disponible, aspecto ratificado por la continua presencia de los explosivos encartuchados utilizados en el contorno, sobre el material pos voladura.

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Se puede afirmar finalmente que un disparo de desarrollo optimizado, rompe mayor porcentaje de la longitud perforada obteniéndose mayor rendimiento y avance, daña menos el contorno y reduce los riesgos y los costos de fortificación, y frecuentemente implica perforar menos tiros y reducir el consumo de explosivo.



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REFERENCIAS SCHERPENISSE C. R., DÍAZ J. C,, “Monitoreo y consideraciones generales del modelamiento de vibraciones para la optimización de las voladuras en desarrollo horizontal”, 2do Simposium Internacional de Informática Aplicada a la Minería, Infomina 98, del 26 al 29 de Mayo de 1998, Lima - Perú. ADAMSON W. R., SCHERPENISSE C. R, “The measurement and control of blast induced damage of final pit walls in open pit mining”, 24th Conference on Explosives & Blasting Techniques, ISEE-98, New Orleans, USA, Feb-1998. PERSSON & HOLMBERG, “Rock Blasting and Explosives Engineering”, New México, USA., 1994 McKENZIE C.K., SCHERPENISSE C.R., ARRIAGADA J., & J. P. JONES, "Application of Computer Assisted Modelling to Final Wall Blast Design”, EXPLO ‘95 Technical Proceedings, 4-7 September 1995, Brisbane, Australia. ADAMSON W. R., SCHERPENISSE C. R., “Asesoría para Medición de Vibraciones y Evaluación en Voladura de Desarrollo Horizontal”, Minera Michilla S.A., Julio 1995. ADAMSON W. R., SCHERPENISSE C. R., DÍAZ J. C., “Determinación de Modelos de Velocidad de Partículas en Voladuras de Mina Los Bronces”, Cía Minera Disputada de las Condes S.A., Marzo 1996 SCHERPENISSE C., ARELLANO J., ORREGO G., ARELLANO M., "Vibración producto de Voladura y su comportamiento en el Campo Cercano y Lejano", V Jornadas de Especialistas en Voladura, EXPOMIN92, Mayo 1992, Santiago, Chile. SCHERPENISSE C. R., ADAMSON W. R., DÍAZ J. C., “Asesoría Técnica en Monitoreo de Vibraciones para el Modelamiento y Control del daño en Mina Escondida”, Minera Escondida Ltda., Marzo-1997. ADAMSON W. R., SCHERPENISSE C. R., “Monitoreo y Modelamiento de Vibraciones en Mina Subterránea y a Cielo Abierto para el Diagnóstico de Voladura en Mina Michilla”, Minera Michilla S.A., Mayo-1997. McKENZIE C.K., “State of Art on Blasting Techniques”, Blastronics, Santiago Chile., Abril-1995 DAWES J. J., SCHERPENISSE C. R.,DÍAZ M. E., PARADA L. “The evaluation of Tunnel Blast Performance via the analysis of ground vibrations”, Congreso de Minería del Instituto de Ingenieros de Minas de Chile, Los Andes 1987, Chile.


Vibraciones y daño en Voladura de Túnel_ISEM-2000

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