Perforacion y Voladura I-Tema_04

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    14-Jan-2016

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Mecanismo de rotura de la roca en voladura con explosivos.

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PERFORACIN Y VOLADURA I Calidad que se acredita internacionalmente ASIGNATURA PRIMERA UNIDAD TEMA N 4 MECANISMO DE ROTURA DE LA ROCA. DOCENTE: Ing. Benjamn Manuel Ramos Aranda Huancayo, 2015 Asignatura: Perforacin y Voladura I MATERIAL DE ESTUDIO: TEMA N 4 MECANISMO DE ROTURA DE LA ROCA. MECANISMO DE ROTURA DE LA ROCA. Compilado y adaptado de: LPEZ JIMENO, Carlos; LPEZ JIMENO, Emilio; GARCA BERMDEZ, Pilar. Madrid: Ed. Entorno Grfico Manual de Perforacin y Voladura de Rocas.Madrid, 2003. UBICACIN: Biblioteca UCCI: 622.23/L87 Material preparado con fines de estudio de alumnos del curso de Perforacin y Voladura de la Universidad Continental '--"-" Captulo16'--'"'-"~ " MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA/"'-"--.J 1. INTRODUCCION--~...J Duranteladetonacinde unacargadeexplosivoenel interiorde la roca, las condiciones de solicitacin~ quesepresentanestncaracterizadaspordosfasesdeaccin:...J1.a fase: Se produce un fuerte impactodebido a laonda de choque,vinculadaa la Energa deTensin, durante un corto espacio detiempo.Actan los gases producidos detrs de lazona de reaccin que a alta presiny tem-peraturason portadoresde la EnergaTer-modinmicao de Burbuja.-"'" 2.a fase:/"--./ Desdela dcada de los aos 50, se han desarrolladodiversas teoras para explicar el comportamiento de lasrocas bajo los efectos de una explosin, siendo an/ hoy uno de los problemas a resolver y definir en latecnolo.ga de aplicacin de los explosivos al arranque.~ Prescindiendo de un anlisis detallado de cada una de/ esas teoras, se describen seguidamente los distintosmecanismos de rotura de la roca identificados en lasvoladuras en el estado actual de conocimiento."/" 2./MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA~-, En la fragmentacin de materiales rocosos confex--.-/ plosivos intervienen, al menos, ocho mecanismos derotura, con mayor o menor responsabilidad, pero par-tcipes todos en los resultados de las voladuras.-.-/2.1. Trituracin de la roca----.../ En los primeros instantesde la detonacin, la pre-sin enel frentede laondade choquequese expandede forma cilndrica alcanzavalores que superanam-pliamentela resistenciaainmicaa compresinde larocaprovocandola destruccindesu estructurainter-cristalinae intergranular.El tamaodelanilloderocatrituradaaumentacon lapresinde detonacindel explosivoy con el acopla-- "/-.-/---/mientode la carga a las paredesdel barreno.SegnDuvallyAtchison (1957)con explosivosdealtapoten-cia y en rocas porosas puede llegara tener un radiode hasta8 D, pero lo normales que oscile entre 2 y4 D.En la Fig. 16.1,se muestralavariacinde lastensio-nes de compresingeneradaspor dos cargas de ex-plosivoacopladas.La trituracinde la rocaseproducea una presin de 4 GPa, por lo que la curva (A) delexplosivo que produce en la pared del barreno unatensin de 7 GPa tiene un gradientede cada muyacusado,debido al gran aumentode superficieespe-cfica que tiene lugar durantela pulverizacinde laroca. Como el explosivo (B) no aumentala superficieespecficapor trituracin,presentauna pendientedecada detensin msatenuadaque el (A).lO,o'O"-~zo;zWf-DISTANCIA A LA PARED DEL BARRENOFigura 16.1." Variacin de la tensin de pico con la distancia ala pared del barreno (Hagan).SegnHagan(1977)estemecanismode roturacon-sumecasi el 30% de la energaquetransportala ondadechoque,colaborandoen lafragmentacinde larocacon un volumenmuypequeo,del ordendel 0,1%delvolumentotalquecorrespondeal arranquenormaldeun barreno.No haypues,ningnincentivoparautilizarexplosivospotentesque generentensionesen la rocade las paredesde los barrenosmuyelevadas,de ahqueenalgunoscasosse aconsejeel desacoplamiento209de las cargas y el aumento de la ES a costa de laET.2.2. Agrietamiento radialDurante la propagacin de la onda de choque, laroca circundante al barreno es sometida a una intensacompresin radial que induce componentes de trac-cin en los planos tangenciales del frente de dichaonda. Cuando las tensiones superan la resistencia di-nmica a traccin de la roca se inicia la formacin deuna densa zona de grietas radiales alrededor de la zonatriturada que rodea al barreno.lTe COMPREsrONITz TRAccrONFigura 16.2. Agrietamientoradial.El nmero y longitud de esas grietas radiales au-menta con:1. La intensidad de la onda de choque en la pared delbarreno o en el lmite exterior del anillo de rocatriturada, yLa disminucin de la resistencia dinmica atraccin de la roca y el factor de atenuacin de laEnerga de Tensin.2.Detrs de esa zona interior de intenso agrietamiento,algunas fracturas progresan de forma importante dis-tribuidas aleatoriamente alrededor del barreno. La ve-locidad de propagacin de las grietas es de 0,15 a 0;-40 .~veces la de la onda de choque, aunque las primerasmicrofisuras se desarrollan en un tiempo m,vypequeodel orden de 2 ms.Cuando la roca presenta fracturas naturales la ex-tensin de las grietas guarda una estrecha relacin constas. Si las columnas de explosivo son intersectadaslongitudinalmente por fracturas existentes, stas seabrirn por efecto de la onda de choque y se limitar eldesarrollo de las grietas radiales en otras direcciones.Las fracturas paralelas a los barrenos pero a algunadistancia de stos, interrumpir?n la propagacin de lasgrietas radiales. Fig. 16.3.2.3. Reflexin de la onda de choqueCuando la onda de choque alcanza una superficie210'--FRACTURAS CREADASPOR OESCOSTRAMIENTO'-ZONA DE INTENSAFRACTURACIQN RADIAL '--'-'-FRACTURAS RADIALESINTERCEPTADAS POR UNA JUNTAJUNTA RELLENADE AGUA~Figura16.3. Agrietamientoradialy roturapor reflexindelaonda de choque.'-libre se generan dos ondas, una de traccin y otra decizallamiento. Esto suceder cuando las grietas radia-les no se hayan propagado ms que una distancia "-equivalente a untercio de la que existe desde la carga aesa superficie libre. Aunque la magnitud relativa de lasenergas asociadas a las dos ondas dependen del n- "-gula de incidencia de la onda de choque primaria, lafracturacin es causada generalmente por la onda detraccin reflejada. Si las tensiones de traccin su peranla resistencia dinmica de la roca se producir hacia el '---interior el fenmeno conocido por descostramiento ospalling. En las rocas las resistencias a traccin al-canzan valores entre un 5y un 15% de las resistencias a "-compresin.El frente de la onda reflejada es ms convexo que elde la onda incidente, por lo que el ndice de dispersin "-de la energa de la onda de traccin es mucho mayorcuando la superficie es clndri"ca,como la del barrenocentrl de un cuele, que cuando se dispone de unplano como sucede en una voladura. '--'--\.....'--"--Figura16.4. Reflexindeuna ondasobre unacavidadcilln-drica. '--Este mecanismo contribuye relativamente poco alproceso global de fragmentacin, estimndose que lacarga de explosivo necesaria para produci r la rotura dela roca por la accin exclusiva de la reflexin de la ondade choque sera ocho veces mayor que la carga nor-"--'--"-./mal.Sin embargo,en lasdiscontinuidadesinternasdelmacizorocosoqueestnprximasa lacarga,estoesadistanciasmenoresde 150,y no se encuentranre-/ llenascon materialde meteorizacin,el efectodeestareflexinde las ondases muchomssignificativoporla diferenciade impedancias.En la excavacinde rampas'inclinadaso pozos convoladurasdebecomprobarseque los barrenosvacosno estn llenos de agua con el fin de aprovecharlos/ efectosde estemecanismode rotura./,/ 2.4. Extensin y apertura de las grietas radialesDespusdel paso de la onda de choque, la presin/ de los gases provoca un campo de tensiones cuasi-estticoalrededordel barreno.Duranteo despusdelaformacinde lasgrietasradialespor la componentetangencialdetraccindelaonda,losgasescomienzan/ a expandirsey penetraren las fracturas.Las grietasradialesse prolongan bajo la influenciade la concen-'\ tracindetensionesenlosextremosdelasmismas.El,/ nmeroy longitudde las grietasabiertasy desarrolla-das dependefuertementede la presin de los gases,por lo que un escapeprematurode stospor un reta-I cado insuficienteo por la presenciade alguna zonadbildel frentelibrepuedeconducir a un menorapro-, vechamientode laenergiadelexplosivo./2.5. Fracturacin por liberacin de cargaAntes de que la onda de choque alcance el frentelibreefectivo,laenergiatotaltransferidaa larocaporlacompresin inicial vara entre el 60 y el 70% de laI energiadelavoladura(Cooketal 1966).Despusdelpasode la ondade compresin,se produceunestadode equilibrio cuasi-estticoseguido de una cada s-" bitade presinen el barreno,debidaal escapede losI gasesatravsdel retacado,de las fracturasradialesyal desplazamientode la roca. La Energa de Tensinalmacenadase liberamuyrpidamente,generndose/ solicitacionesde traccin y cizallamientoque provo-canlaroturadelmacizo.Estoafectaaungranvolumende roca, no slo por delante de los barrenos,sinoincluso por detrsde la lneade corte de la voladura,habindosellegadoa identificardaosa distanciasdevariasdecenasde metros.Fig. 16.5.I.r2.6. FracturacinporCizallamientoEn 'formacionesrocosas sedimentariascuando losestratospresentandistintosmdulosde elasticidadoparmetrosgeomecnicos,seproducela roturaen losplanosdeseparacinal pasode laondadechoqueporlastensionesdiferencialeso cortantesen dichos pun-tos. Fig. 16.6.CARGA DEEXPLOSIVOESTRATO XFASE DW[TRACCI~N -- ---"'r: B, ESTRATO Y"Tiempo=ti hFigura16.6. Fracturacinporciza/lamiento(Hagan).2.7. Rotura por flexinDurantey despus de los mecanismosde agrieta-miento radial y descostramiento:la presin ejercidapor los gases de explosin sobre el materialsituadofrentea lacolumnadeexplosivohacequelarocaactecomo unavigadoblementeempotradaen el fondo delbarrenoy en la zona del retacado,producindose ladeformaciny el agrietamientode la misma por losfenmenosde flexin. Fig. 16.7.2.8. Rotura por colisinLos fragmentosde roca creados por los mecanis-mos anterioresy aceleradospor los gases son pro-yectadoshacia la superficie libre, colisionando entre.s y dandolugara unafragmentacinadicional,quese ha puesto de manifiestoen estudios con fotogra-fas ultrarrpidas(Hino, 1959;Petkof, 1961).l.".. ->Foto 16.1. Rotura de /a roca por f/exin (Nitro Nobe/).",",~RETACADO------------CARGA~Figura 16.7. Mecanismode roturapor flexin.2123. TRANSMISION DE LA ONDA DE CHOQUEEN UN MEDIO ROCOSOComo se ha visto anteriormente,la Presin de De-tonacin puede expresarse de forma simplificadapor:PD = Pe X VD 24PD = Presin de detonacin (kPa).Pe = Densidad del explosivo (g/cm 3).VD = Velocidad de detonacin (mis).La mxima Presin Transmitida a la roca equivale a:2PT m = 1+nz PDdonde nz es la relacin entre la impedancia del ex-plosivo y la de la roca:nz = Pe X VDPr x VCsiendo:VC = Velocidad de propagacin de las ondas en elmedio rocoso (mis).Pr = Densidad de la roca (g/cm1).Esto significa que la onda explosiva se transmitetanto mejor a la roca cuanto ms se acerca la impe-dancia del explosivo a la de la roca, dado que "nz"tender hacia 1 mientras que "PT" lo har simult-neamente hacia "PD. La presin de la onda en laroca decrece con una ley exponencial, de modo quela tensin radial generada a una determinada distan-cia ser:G = PB x [~;rdonde:G = Tensin radial de compresin.PB = Presin en la pared del barreno.rb = Radio del barreno.DS = Distancia desde el centro del barreno al puntode estudio.x = Exponente de la leyde amortig uacin, que paracargas cilndricas se aproxima a 2.Si la onda en su camino encuentra materiales di-versos, con impedancias diferentes, y en correspon-dencia con superficies de separacin que puedenestar en contacto o separadas por aire o agua, la../transmisinde la onda de choque estargobernada~ por la relacinde impedanciasde losdistintostiposJ de roca, pudiendo parcialmente transmitirse y almismo tiempo reflejarseen funcin de dicha rela-cin.Cuando las impedanciasde los mediosson iguales..J (PrZx VCz = Prl X VC) gran parte de la energa setransmitiry el resto se reflejar, Ileg,ndosea unasituacin lmite cuando (PrZx VCz ~ Prl x VC!),J como,porejemplo,entrerocayaire,dondesereflejarcasi latotalidadde laenergatransportadapor laonda, decompresinenformadetensindetraccin,pu-..J diendoadquirirespecial importanciaen el procesoderoturade la roca.Lo indicadoesvlidotantoparalas presionesde lasondascomo para las energastransmitidas.Si la rela-../ cin de impedanciascaractersticasde losdos medioses:../n'z = Prl X VC!PrZ X VCz../ se tendr/PIPT =2 (1+n'z)/FASE 1 FRENTELIBREt IJ:Y/~/AY/~/-"iY/""'/"""'~,,- '~'~'~/-T/""h"""'/,q7,.('ONDAS """"~ /""""'--1..m-'\\~f>'.r""""""'\t . , . !\ I \ i, ! \ f\. ,... \. /'", "'" ..'""-. ";;PACIAMIEN:rO """'" "'-//,1 FASE .Ir FRENTELIBRE+ +,1.//FASEm .j'FRENTELIBRE./././PR = PI (1 - n'z)(1 + n'z)donde:PI = Presinde la ondaincidente.PT = Presinde la ondatransmitida.PR = Presinde la ondareflejada.4. RENDIMIENTO ENERGETICO DE LAS VO-LADURASLa accin de los explosivossobre las rocases puesla resultantede un conjunto de acciones elementa-les, que actan escalonadamentey en ocasiones deforma simultneaen pocos milisegundos,asociadasa los efectos de la onda de choque que transportalaEnergade Tensin",y alas efectosde los gasesdeexplosin o Energade Burbuja. Fig. 16.8.La energa total desarrollada por el explosivo ymedidapor el mtodopropuestopor Cole, puedeex-presarseentonces como la suma de esas dos com-ponentes.FASE Iil FRENTE LIBREROCA ORIGINAL\.. + PROYECTADA +\,~~.. '1" j"~'~ .' ..:1 OtC"':"l'", . .O~~~r ,ti"PJ~"~.. '.' ~~ . . Q(Q ."1-.;~0'."'~~~~~~~~~~S:>~~-------)~FASE :sz: FRAGMENTACIONPOR COLlSIONPOR ACCION DE LOS GASES./Figura 16.8. Resumende mecanismosde rotura../ 213'-'---"'--~I",~Rm"--Pk "--E""Cod;'OOi"""~~_L.rE;,;;gcO",,"midop"Ioofl""" ; """'"m",to~~~~cc~~.~u~.~;~~---~E",OCoA~fI',,~JPo~j"m"--'--P,~P""" md,lmo,. ", 00'"~1"P""" do''O"",Pk~P",ioofi,,1,. ", "o."~ "poo,id,"',, loco"""mocito'"Rm~Ro,i".",odo"pa,,'d,'"""." "'.",Figura 16.9. Modelo de distribucin de la energa del explosivo en una voladura."'-EB=~Qx Te3 (cal/g)presenta en la Fig. 16.9, a partir de ensayos sobrebloques cbicos de roca sumergidos en piscihas.Estos investigadores afirman que aproximadamenteel 53% de la energa del explosivo va asociada a laonda de choque. Este valor depende de las condicio-nes de experimentRcin y pueden encontrarse re-sultados muy dispares que van desde el 5% al 50%de la energa total, segn los distintos tipos de rocaque se desean fragmentar y la clase de explosivoempleado.As, en una roca dura, la Energa de Tensin de unexplosivo rompedor es ms importante en la frag-mentacin que la Energa de Burbuja, sucediendo locontrario en las formaciones blandas, porosas o fi-suradas y los explosivos de baja densidad.De los ensayos efectuados por Rascheff y Goe-mans, se resume en la Tabla 16.1 el reparto de laenerga de la onda de choque:"-ETD = ET + EBdonde:"'-ET = 61 S p2 x dt (cal/g)"-"'-Estimaciones efectuadas por Hagan (1977) hanpuesto de manifiesto que solamente un 15% de laenerga total generada en la voladura es aprovechadacomo trabajo til eh los mecanismos de fragmenta-cin y desplazamiento de la roca.Rascheff y Goemans (1977) han establecido unmodelo terico de reparto de energa, tal como se re-'--'--'--TABLA 16.1. REPARTO DE LA ENERGIA DE LA ONDA DE CHOQUE""'--"""'-214 ".BLOQUE DE GRANITO VOLADURA BLOQUE DECON CONVENCIONAL GRANITOCONFINAMIENTO DE GRANITO SUMERGIDOINFINITO EN BANCO EN AGUAPulverizacin 15% 15% 15%Fisuracin radialprimana 3% 3% 2%Prolongacin defisuras 0% 16% 39%Energatransmitida 82% 34% 22%Energaaprovechada 18% 34% 56%./Puedeobservarsequeen lasvoladurasconvencio-nalesen bancounagranpartede la energade laondade choquese transformaen energassmica/ que da lugar a las vibracionesdel terrenoa, lacual se sumarparte de la energade los ga-ses.Los datos expuestosconcuerdanbastantebiencon los obtenidospor otros investigadorescomoManciniy Occella../ Nodebeolvidarse,queparaconseguirunosresul-tadosptimosen las voladurases precisono slofragmentarla rocasinoesponjarlay desplazarlaunadeterminadadistancia,por lo que los gasesjuegantambinen lasltimasetapasun papeldecisivo.Lownds(1986)hadescrito,tambin,el repartodelaenergadelexplosivoenel procesodevoladuradelas.J rocas,utilizandounmodelosimplificadodeinteraccinroca-explosivo.El distribuyelaenergaenzonasdife-rentesrelacionadasconlacurvaPresin-Volumende.1 losgasesproducidosenlaexplosin.Fig.16.10../,,/..; 4 5VOLUMEN..;Figura 16.10. DiagramaP-Vdelosgasesdeexplosin,mostrando la distribucin de la energa en la voladura./)Las energasasociadasconlas diferenteszonasmostradasenlafiguraanteriorsonlasqueseJndicanenlaTabla16.2.)Inmediatamentedespusdeladetonacindelexplo-sivoenelbarreno,losgasesaaltapresinenelestadoinicialo deexplosinP3transmitenunimpactouondadechoquea laroca.Lastensionesproducidasporestaonda,enlarocaprximaalbarreno,sonsuperioresa laresistenciadinmicaa compresiny a traccinde laroca.Seproduceunatrituracinyunacompresindelarocaalrededordelbarreno,dependiendodela presindeexplosiny la resistenciay tenacidadde la roca.Comolarocaestrituraday comprimidaelvolumendelbarrenoaumentaconunadisminucincorrespondientedelapresin,hastaquelatensinenlarocase equili-braconlapresin.EstosemuestraenlacurvadelaFig.//ITABLA 16.216.10comoP4,y se denominaestadodeequilibrio.Eltrabajorealizadoporelexplosivodurantelaexpansines llamadoenergaderotura,y consisteenlaenergadetensinalmacenadaenlaroca(Zona2)y laenergacinticade laondadechoque(Zona1).Enel procesodevoladurala energadetensincinticase pierdeesencialmentecomotrabajotily se manifiestacomorocatrituradaen laproximidadinmediatadelbarrenoyondasssmicaspropagadasenelterreno.Lastensionesen la rocasonel resultadodela pre-sindebarrenoresidualP4quecausalasfracturas.Losgasesdeexplosinpenetranen lasgrietasexistentesentreelbarrenoyelfrentelibre,haciendcuntrabajotilde prolongacinde las mismasquecolaboranen lafragmentaciny contribuyena laproyeccin.Estepro-cesoterminamso menos,bsicamente,cuandolosgasesalcanzanelfrentelibre.Lapresindelosgasesenel momentodeescapese muestracomoP5 en laFig.16.10.Enesteinstantela rocadelantedelbarrenoes comprimidaporlosgasesexistentesenlasgrietasconunaenergadetensinalmacenadaen la roca(Zona4).Estaenergaes consideradacomoinsignifi-canteenlafragmentacinyproyeccindelaroca.LasenergasdelasZonas2y 3sonlasmstilesenlavoladuradelasrocasy es llamadaEnergadeFrag-mentacin.Partede laenergade losgasesenel momentode. escape(Zona5) desplazala roca,y es llamadaEnergadeProyeccin.Sinembargo,elrestodelaenergadelaZona5,alescaparlosgases,es perdidacomocalory" ruido.Aunqueestemtododedistribucindeenergasim-plificaelprocesodelavoladuraaportaunavaliosaper-cepcinde a dndeva la energadurantelasdiferentesfases del proceso.Tambinproporcionaunacompara-cinaproximadade lamagnituddefasdiferentesfrac-cionesde energautilizadasen lasdiversasfasesde lasvoladurascuandolos gases de explosinse expandendesdelapresininicialenel barrenoa la presinatmos-frica.No todala energadisponiblees tilen la fragmenta-ciny proyeccindelaroca.Es,pues,posiblemejorarla eficienciadelprocesodevoladura,utilizandoexplosi-vosidealeso noidealesdiseadosparaminimizarlasprdidasde energa.215.1zQlP3(f)/ Wa:(L/ZONA ENERGIA1 Componentecinticade la energade cho-queo tensin2 Componentede tensinde la energla dechoque.1+2 Energarompedora.3+4 Energaliberadadurantela propagacindelasgrietas.2+3 Energadefragmentacin.4 Energadetensinen la rocaen el instantede escapede losgases.1+2+3+4 Energadevoladura5 Energa de proyecciny prdidade ener-gaen el escapede losgases.1+2+3+4+5 Energatotaldisponibleo valorde potenciaabsoluta.