La Voladura y Las Vibraciones - Ing. Explosivos

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    15-Jul-2015

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DOCENTE: ING. ALEJANDRO VASQUEZ ARRIETA ALUMNO: WALTER EDINSON RAMOS CHAVEZ CURSO: INGENIERIA DE EXPLOSIVOSINDICEINTRODUCCION CAPITULO 1: Voladura de Rocas1.1. Definicin 1.2. Mecnica de Rotura de la Roca1.2.1 Energa de Choque y Energa de Gas 1.2.2 Trituracin 1.2.3 Fracturacin por Agrietamiento Radial 1.2.4 Rotura por Reflexin 1.2.5 Rotura por Flexin1.3. Parmetros de voladura1.3.1 Parmetros de Geomecnica 1.3.2 Geometra de la Malla 1.3.3 Sistemas de Iniciacin1.4. Diseos de Voladura y Modelos de Prediccin de la Fragmentacin1.4.1 Diseo de Mallas 1.4.1.1 Mtodo del Modelo Matemtico de reas de Influencia 1.4.1.2.1 Reformulacin Modelo Matemtico 1.4.1.2 Mtodos Empricos 1.4.2 Modelos de Prediccin de la Fragmentacin 1.4.2.1 Modelo de Larsson 1.4.2.2 Modelo Kuz Ram 1.4.2.3 Modelo JKMRC1.5. Efectos de dao al Macizo Rocoso 1.5.1 Sobre rotura 1.5.2 Rotura por Descostramiento 1.5.3 Airblast 1.5.4 Cuantificacin del Dao CAPITULO II: VIBRACIONES 2.1 Definicin de Vibraciones 2.2 Tipos de Ondas Ssmicas Generadas 2.3 Parmetros de las Ondas 2.4 Atenuacin Geomtrica e Inelstica de las Onda 2.5 Variables que afectan las Caractersticas de las Vibraciones 2.5.1 Geologa y Caractersticas de las Rocas 2.5.2 Carga Operante 2.5.3 Distancia al Punto de Voladura 2.6 Modelos Predictivos 2.6.1 Modelo del Campo Cercano 2.6.2 Modelo de Campo Lejano 2.7 Normas internacionales que Regulan las Vibraciones 2.8 Monitoreo de vibracionesINTRODUCCIONy Actualmente en la Industria Minera, las Operaciones Unitarias de Perforacin yVoladura, son esenciales realizarlas con una alta eficiencia, porque influye directamente en las Operaciones posteriores y en el dao que pueden ocasionar al Macizo Rocoso. y Las diferentes caractersticas de los Macizos Rocosos en las diferentes zonas del Per, hacen que se diseen diversas formas de perforacin y voladura, que se adapten mejor a cada rea especfica. y Al realizar la Perforacin y Voladura, se debe controlar los efectos que estos pueden ocasionar al Macizo Rocoso a travs de las Ondas Ssmicas que se producen en la voladura, pudiendo ser estos resultados modificables, a travs de los diferentes parmetros que tienen influencia en ocasionar un mayor efecto de vibraciones, que mediante un anlisis y estudio respectivo, estos se pueden modificar, disminuyendo los efectos al Macizo Rocoso, deseando optimizar la distribucin de la energa de los explosivos. y Mediante el control de las vibraciones que se realiza mediante pruebas de campo directamente, que a travs de la interpretacin de los resultados y la obtencin de la Velocidad Pico Partcula, y mediante el conocimiento de los parmetros de voladura, la geologa del lugar, todas estas variables se pueden relacionar en distintas formulas empricas, influenciadas por la Ley de Propagacin de Ondas, logrando as el conocimiento de los efectos y las distancias a la que afecta las vibraciones, pudindose estas variables manejarse modificando algunos parmetros de la voladura o definiendo la distancia mnima de las estructuras mas cercanas que no se desea que sean afectadas, obtenindose as energa ssmica de mayor frecuencia que es absorbida rpidamente que la de menor frecuencia, dependiendo fuertemente de la geologa y de los intervalos de retardo utilizados en la secuencia de detonacin.CAPITULO I: VOLADURA1.1. DEFINICION: Es un proceso tridimensional muy complejo, que a travs de la alta concentracin de energa de los explosivos por las altas presiones en los taladros, generan dos procesos dinmicos: Fragmentacin y Desplazamiento; que pueden ser controlados, por el tamao de los disparos, secuencia de iniciacin, cantidad y tipo de explosivo; para obtener resultados eficientes y econmicos, con el menor dao posible al macizo rocoso, evitando la cada de rocas.1.2. Mecnica de Rotura de la Roca Es aun muy compleja de conocer su verdadero proceso, actualmente existen diversas teoras que manifiestan que sucede en varias etapas, en un tiempo extremadamente corto donde ocurre la detonacin, fragmentacin hasta el desplazamiento del material volado, involucrando una serie de parmetros: confinamiento, cara libre, relacin burden dimetro y condiciones geolgicas; y las etapas son: Detonacin del explosivo y generacin de onda de choque. Iniciacin del agrietamiento por accin de la onda de choque. Generacin y expansin de gases a alta presin ytemperatura. Desplazamiento del material volado para formar la pila de escombros.1.2.1. Energa de Choque y Energa de Gas En el proceso de detonacin de los explosivos se producen dos energas que son la causa de la fragmentacin y desplazamiento de la roca: La energa de choque o presin transitoria, que resulta de la presin de detonacin, quien depende directamente de la densidad del explosivo y de la VOD, es la primera en producirse en la direccin opuesta a la iniciacin de la reaccin, representando el 10% - 15% de la energa total til del explosivo; y ; La energa de gas, que es la principal causa de la fragmentacin y es mas conocida como presin de explosin y generalmente es la mitad de la presin de detonacin, aunque no siempre, como el ANFO, representando el 85% - 90% de la energa restante; y de acuerdo a los resultados que uno desea obtener hace uso de los diferentes tipos de explosivos con sus caractersticas especificas.1.2.2 Trituracin Luego de la detonacin se expande coaxialmente una onda de compresin cilndrica u onda de choque, que al superar la resistencia a compresin dinmica de la roca se producir inmediatamente la trituracin alrededor del taladro, y el espesor de esta zona aumenta con la densidad, VOD y dimetro de la carga.1.2.3 Fracturacin por Agrietamiento Radial La onda de compresin radial, presenta una componente de traccin tangencial, que al superar la resistencia dinmica a traccin de la roca, se inician grietas radiales en todas las direcciones del taladro, limitndose por la siguiente pared del taladro; esta es la fase ms importante del proceso de voladura.1.2.4 Rotura por Reflexin Cuando la onda de compresin alcanza el taladro de alivio, se producir una nueva onda de traccin, creciendo el volumen afectado repartindose la energa en las ondas reflejadas, una de traccin y otra de cizallamiento, entonces si la onda de traccin es suficientemente intensa se producir el descostramiento de la roca, recordando que la resistencia a la traccin es solo del 5% - 15% de la resistencia a la compresin o cizallamiento de esta, tambin se debe de tener en cuenta una pequea inclinacin en los taladros de alivio, para desaguarlos y as evitar una menor onda de traccin reflejada y la rotura inmediata.1.2.5 Rotura por Flexin Se presenta entre un taladro cargado y el taladro de alivio o cara libre, por la presin cuasi esttica ejercida por los gases de explosin, hacen que se forme una cua y se abombe o flexe, mantenindose los extremos del taladro como puntos fijos, ocasionando as la fractura por flexin.1.3. Parmetros de Voladura 1.3.1 Parmetros de Geomecnica Los parmetros de la roca intacta y del macizo rocoso son variables incontrolables, y se debe adecuar los diseos de voladura a cada condicin que se presente, estos parmetros son: propiedades fsicas (dureza, densidad, porosidad, tenacidad, otros), propiedades elsticas (resistencia a la compresin y traccin, cohesin, ngulo de friccin interna y velocidad de propagacin de ondas), propiedades de las discontinuidades (orientacin, persistencia, relleno, apertura y espaciamiento), presencia de agua e impedancia de la roca.1.3.2 Geometra de la Malla Realizada con parmetros controlables, y depende de mtodos empricos, matemticos y la experiencia, para obtener buenos resultados; estos parmetros son: burden, espaciamiento, densidad de la carga, dimetro, longitud del taladro, longitud del taco, confinamiento y factor de carga.1.3.3 Sistemas de Iniciacin El diseo de iniciacin es muy importante para lograr una fragmentacin ptima y no daar al macizo rocoso, siendo los parmetros ms importantes: el intervalo de tiempo de los retardos y la conexin de los mismos. De esta manera se puede tener una prediccin de la granulometra y los efectos al macizo rocoso, adems 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 despus de un frente libre efectivo. Por otro lado diversos estudios describen que a tiempos cortos producen una mejor fragmentacin, pero reducen el avance por disparo y aumentan el desplazamiento de la pila haciendo la carga ms dificultosa, tambin se debe de tener en cuenta el campo de tensiones in situ, ya que las grietas tendern a seguir la direccin de las tensiones principales de campo.1.4. Diseos de Voladura y Modelos de Prediccin de la Fragmentacin 1.4.1 Diseo de Mallas En la actualidad existen muchos mtodos y teoras que describen como disear una malla de perforacin y voladura, en esta tesis solo describiremos el mtodo que se utilizara en la elaboracin del diseo final y un mtodo emprico, que comnmente se realiza en las minas subterrneas.1.4.1.1 Mtodo del Modelo Matemtico de reas de Influencia Es un nuevo modelo matemtico para disear mallas de perforacin y voladura, calculando el rea de influencia por taladro y fue desarrollada de la siguiente manera: Esta mtodo de diseo nace del siguiente Figura: Fig. N 1 rea de Influencia de un taladro despus de la VoladuraFuente: E. Hoek / E.T. Browm, Excavaciones subterrneas en roca En donde la zona 1; es el dimetro del taladro, la zona 2 es la zona pulverizada por el explosivo y la zona 3 es el rea de influencia del taladro despus de una voladura. En este caso la nueva teora calcula el espesor fracturado por el explosivo y que luego se demostrara el burden. Esta teora es realizada con los criterios de resistencia de materiales, mecnica de rocas y parmetros del explosivo y perforacin.1.4.1.3 Mtodos Empricos Existen diversas formas tericas y empricas de calcular los parmetros de voladura, a continuacin se describir una de ellas brevemente: Numero de taladros: N de tal = 10* Longitud de taladros: L = 0.5* Burden y espaciamiento: B1 = 1.5 * D B2 = B1 * B3 = 1.5* B2 * B4 = 1.5 B3 * E = B1 * E = 1.5* B2 * E = 1.5 B3 * E = 1.5 * B4 *1.4.2 Modelos de Prediccin de la Fragmentacin El grado de fragmentacin generado por una voladura se define bsicamente como la distribucin granulomtrica del material volado, y puede representarse de las siguientes maneras: Histograma: entrega una distribucin no acumulativa de tamao o peso de fragmentos en una clase dada. Grafica Acumulativa: entrega el grafico de distribucin 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 = Relacin espaciamiento burden CE = Consumo especifico de explosivo (Kg/m3) 3 C = constante de la roca 0.3 0.5 Kg/m S = constante de tronabilidad S = 0.6 para rocas muy fisuradas S = 0.4 para rocas homogneas1.4.2.2 Modelo Kuz Ram Una relacin entre el tamao medio del fragmento y la energa aplicada a la voladura por unidad de volumen de la roca (carga especfica) ha sido desarrollada por Kuznetsov (1973) en funcin del tipo de roca. Su ecuacin es la siguiente: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 tamao medio disminuye. Q = depende del dimetro de perforacin, por lo tanto a medida que el dimetro de perforacin disminuye el tamao medio tambin lo hace.Calculo del Factor de Carga A (1): Donde: Bl = 1 par tajo abierto, 2 para tnel Sc = Resistencia a la compresin (Kg/cm2) ff = frecuencia de fracturas por pie de testigo (0Calculo del Factor de Carga A (2): Donde: RMD = Descripcin de la roca JPS = Separacin entre fracturas planas JPA = Angulo de fracturas planas, tabla RDI = Influencia de densidad HF = Factor de dureza, tabla6)Ecuacin de Rosin Rammler:Donde: P(x) = Proporcin de material retenido en una malla x x = abertura de malla xc = tamao caracterstico n = coeficiente de uniformidadmalla xF(x) = Proporcin del material que pasa por una abertura deCalculo del Coeficiente de Uniformidad:Donde: D = dimetro de perforacin (mm) B = burden (m) S = espaciamiento (m) W = desviacin de perforacin (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 fragmentacin y su variabilidad depende bsicamente de: Si, Si, Si, aumenta, n disminuye aumenta, n aumenta aumenta, n aumentaExisten otros anlisis que sern estudiados al momento de aplicar el modelo al estudio.1.4.2.3 Modelo JKMRC Volumen de Sobre Tamao alrededor del pozoCorreccin del Fino: Propone que el sector cercano a la fragmentacin, ocurre por la molienda, produciendo partculas muy finas, fuera de esta sugiere que el modelo Kuz Ram es apropiado. El punto de inflexin 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 compresin 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 = dimetro del pozo Pb = presin del pozo, depende del VOD y la densidad del explosivo Donde: C = cte (4, 8) C = 4, la ecuacin representa la presin de detonacin C = 8, la ecuacin representa la presin 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.1.5. Efectos de Dao 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 granulometra 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 as un mayor ancho o grosor del rea a volar, producindose sobre rotura posterior afectando al sostenimiento.1.5.2 Rotura por Descostramiento Es el fenmeno que se produce cuando las tensiones de traccin superan la resistencia dinmica de la roca. 1.5.3 Airblast Tambin conocido como sobrepresin de aire, es una onda area de compresin semejante a la onda P, se produce por la liberacin 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 ssmicas que se desplazan desde el lugar de la voladura produciendo una vibracin adicional; as se produce la onda area que puede causar algn malestar a la persona humana y a los exteriores de estructuras cercanas.1.5.4 Cuantificacin del Dao Tcnica Ssmica de Cross Hole Factor de Calidad Q: Evala el tiempo de viaje, los cambios en la frecuencia de las vibraciones y la atenuacin de la amplitud, en la post-voladura, en comparacin 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 propagacin de ondas P) El rise time aumenta, por la reduccin de la frecuencia.CAPITULO II: VIBRACIONES2.1 Definicin de Vibraciones Estado de esfuerzos inducido en el macizo rocoso, mediantes ondas elsticas, producto de la detonacin de explosivo de los pozos de voladura con el fin de fragmentar la roca. 2.2 Tipos de Ondas Ssmicas Generadas Las ondas ssmicas generadas son denominadas de cuerpo y superficiales: Ondas de cuerpo: las ondas P, de compresin y tensin; 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 propagacin.2.3 Parmetros de las Ondas Los principales parmetros que se deben conocer al momento de hacer un estudio de vibraciones son las siguientes: Frecuencia: Ciclo completo por segundo. Amplitud: Desplazamiento mximo de partcula de su posicin de reposo. Desplazamiento: Distancia a la que se encuentra la partcula en un momento determinado en relacin a su posicin de reposo. Velocidad: Rapidez con que la partcula se mueve en forma oscilatoria, en un determinado momento. Aceleracin: Es el incremento promedio de la velocidad de una partcula que se desplaza a travs de un medio cualquiera. 2.4 Atenuacin Geomtrica e Inelstica de las ondas Se debe saber que en un medio homogneo la amplitud de la onda vibracional disminuye conforme avanza en el macizo rocoso; por otro lado tambin disminuye por transmitirse en estructuras inelsticas disminuyendo parte de su energa mecnica transferida por la onda a la roca. 2.5 Variables que Afectan las Caractersticas de las Vibraciones 2.5.1 Geologa y Caractersticas de las Rocas La geologa y las caractersticas geomecnicas del macizo rocoso son un parmetro peculiar de cada unidad minera, ya que el conjunto de caractersticas del macizo rocoso determinaran en que direccin 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 ms importante, las vibraciones producidas son directamente proporcionales a la carga, adems se debe de tener en cuenta que esto no quiere decir que debemos de disminuir el consumo especfico directamente, sino adecuarlo a una mejor distribucin 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 energa, 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 Teora de Holmberg y PerssonMtodo convencional en base al peso de la carga, considerndola en forma distribuida.K,y son constantes de la roca.2.6.2 Modelo de Campo LejanoDe forma genrica, el nivel de vibracin recibida en un punto, es funcin directa de la carga operante y funcin indirecta de la distancia entre el punto de la voladura y el de registro.K, a y b son constantes que engloban la geologa del lugar, geometra 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 partcula, sino tambin por la frecuencia de la misma.2.7 Normas Internacionales que Regulan las Vibraciones Existen diversas normas a nivel mundial, el Per aun no cuenta con su propia normativa.Normativa Espaola UNE 22-381-93 Norma USBM 1982 Normativa Sueca (Norma Swedish Standard 460 4866) DIN 4150y 2.8 Monitoreo de Vibraciones y El empleo adecuado del monitoreo de vibraciones es una tcnica muy productiva que permite saber en detalle el proceso de voladura, adems de brindar informacin valiosa para evaluar los daos que esas vibraciones pueden ocasionar. y y Instrumentacin del Monitoreo: y y Sensores o Transductores (Gefonos o Acelermetros): Se instalan en el interior del macizo rocoso. y Un sistema de cables que lleva la seal captada por los sensores al equipo de monitoreo. y Un equipo que reciba la seal, la amplifique para hacerle visible y la guarde (sismgrafo). y Un computador que tenga incorporado el software requerido para el traspaso y anlisis de la informacin. y y

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