Voladura de rocas 2014 - Parte I.pdf

CURSO:

PERFORACIÓN Y VOLADURA DE ROCAS

PARTE I

FUNDAMENTOS DE LA VOLADURA DE ROCAS

Dr. Alfredo Cámac Torres 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO Facultad de Ingeniería de Minas

VOLADURA DE ROCAS

PARTE III

El que se equivoca en voladura, se equivoca sólo una vez…….

Es un proceso tridimensional, que al detonar un explosivo dentro de

un taladro, origina una

concentración de energía, que produce dos efectos dinámicos:

fragmentación y desplazamiento

El propósito de una voladura es, convertir una gran masa de roca o mineral en varios tamaños más

pequeños, capaces de ser

excavados o movidos por equipos para su posterior proceso.

ROCA NO ALTERADA ROCA NO ALTERADA DIRECCIÓN DE AVANCE DE LA DETONACIÓN

PCJ: Plano de Chapman Jouget ZR: Zona de reacción FC: Frente de choque ENSANCHAMIENTO DEL TALADRO ONDA DE REFLEXIÓN Y GASES EN EXPANSIÓN CAIDA DE PRESIÓN INICIAL ONDA DE REFLEXIÓN ROCA COMPRIMIDA PCJ FC ZR ONDA COMPRESIVA ONDA COMPRESIVA

CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA VOLADURA

Los explosivos industriales se emplean para voladuras subterráneas, en superficie , en fondos marinos o

subacuáticas, en exploraciones sísmicas y con fines militares.

Labores subterráneas: Túneles viales e hidráulicos,

excavaciones para hidroeléctricas y de almacenamiento, galerías y desarrollos de explotación minera, piques, chimeneas, rampas, tajeos de producción, refugios subterráneos, otras obras civiles y evacuación

Labores en superficie: Apertura de carreteras, canales, canteras de material para la construcción, cimentaciones, demoliciones y minas a tajo abierto.

También voladuras en fondos marinos, así como, para

exploraciones sísmicas y con fines militares de demolición y rescate.

OBJETIVO

Vol.Sec

Perforación Voladura Carguío Transporte

Chancado

Molienda

Producto

Figura 1. Ciclo de Minado

OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA DE MINADO CON

PERFORACIÓN Y VOLADURA

Cara libre (Free face)

Es aquella superficie que está en contacto con el medio ambiente, que para definirlo, se toma como referencia a un cubo.

Malla de Perforacion en UP Cabana Gal 9680 S Nv 3125

Voladura en la corona Tipo Recorte

TEORÍA DE LA FRAGMENTACIÓN DE ROCAS

Terreno no consolidado o no cohesivo Terreno consolidado o cohesivo

Medio plástico Medio elástico

Este mecanismo aún no está plenamente definido, existiendo varias teorías que tratan de explicarlo entre las que mencionamos a:

Teoría de reflexión (ondas de tensión reflejadas en una cara libre).

Teoría de expansión de gases.

Teoría de ruptura flexural (por expansión de gases).

MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS

Teoría de torque (torsión) o de cizallamiento.

Teoría de craterización.

Teoría de energía de los frentes de onda de compresión y tensión.

Teoría de liberación súbita de cargas.

TEORÍA DE LA FRAGMENTACIÓN DE ROCAS

TEORÍA:

El explosivo al detonar, produce una una gran presión en la roca en

diferente direcciones en fracción de segundos, éste introduce ondas de esfuerzo compresivo que se

transmiten a través de la masa rocosa como ondas elásticas, que al

encontrar una cara libre, cambio de densidad, discontinuidades o

fracturas se reflejan como ondas

tensivas produciéndose el

fracturamiento (σ_t ondas > σ_t roca). El viaje de la ondas compresivas depende de la densidad de la roca Rocas > Resistencia a la compresión σ_t = (8 – 15%) σ_c

CONDICIONES

•Medio elástico •Anisotrópico

1. COLUMNA EXPLOSIVA

FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE

LAS ONDAS O FUERZAS DE COMPRESIÓN GENERADAS EN EL TALADRO VIAJAN HACIA LA CARA LIBRE ONDAS SISMICAS LAS ONDAS QUE ESCAPAN PRODUCEN CONCUSIÓN Y ONDAS SÍSMICAS

FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE

FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE

3. FRACTURAMIENTO POR TENSIÓN

Las ondas

compresivas se reflejan en la cara libre y regresan en forma de ondas de tensión que agrietan a la roca.

Se nota la

expansión de los gases

FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARAS LIBRES

4. ROTURA DE EXPANSIÓN

FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE

5. EXPANSIÓN MÁXIMA (ROTURA FLEXURAL)

Los gases presionan al cuerpo de roca entre el taladro y la cara libre, doblándola y creando planos de rotura horizontales adicionales

FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE

6. FASE FINAL: FORMACIÓN DE LA PILA DE ESCOMBROS

Los gases en contacto con el medio ambiente pierden fuerza y el material triturado cae al pie de la nueva cara libre

ESQUEMA DE AGRIETAMIENTO RADIAL DE LA ROCA Y LA INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS

Si las columnas de explosivo son intersectadas longitudinalmente por fracturas existentes, éstas se abrirán por efecto de la onda de choque y se limitará el desarrollo de las grietas radiales en otras direcciones.

Las fracturas paralelas a los taladros que se encuentran a cierta distancia de estos taladros, evitarán que la formación de grietas se propaguen en la roca. Grietas radiales Zona de fracturación radial Roca pulverizada Fracturas paralelas Taladro

MECANISMOS DE ROTURA (Vista de planta)

FASE I

ZONA DE AGRIETAMIENTO RADIAL ANILLO DE ROCA PULVERIZADA ONDAS DE CHOQUE REFLEJADAS

TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO

FASE II

CARA LIBRE MECANISMOS DE ROTURA

ONDAS DE

CHOQUE

REFLEJADAS

EXTENSIÓN DE LAS GRIETAS RADIALES POR LA EXPANSIÓN DE LOS GASSES

PROYECCIÓN DE ROCA

FASE III

PROYECCIÓN DE ROCA

FASE IV

MECANISMOS DE ROTURA (Vista de planta)

SECUENCIA DEL PROCESO DE FRAGMENTACIÓN

FORMAS DE CARGAS EXPLOSIVAS

a : Ondas de Compresión b : Ondas de tensión, solo en la cara libre de superficial s : Ondas de compresión que se disipan como ondas sísmicas

EFECTO DE UNA CARGA ESFÉRICA Taladro Zona Afectada Columna de carga Cráter Real Zona de Ruptura a : Ondas de compresión

b : Ondas de tensión, solo en la cara libre superficial

c : Ondas de compresión que se disipan como ondas sísmicas

a

b c

PRUEBAS CON CARGAS ESFÉRICAS PARA OBTENER LA PROFUNDIDAD ÓPTIMA, CRÍTICA Y LA CURVA DE LIVINGSTON

MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON UNA CARA LIBRE Y CARGA ESFÉRICA - CRÁTER

COLUMNA EXPLOSIVA TACO INERTE LÍMITE DE ROTURA BOOSTER

ONDAS DE COMPRESIÓN

ONDAS DE COMPRESIÓN QUE SE DISIPAN

COMO ONDAS SÍSMICAS

2. DETONACIÓN

ONDAS DE TENSIÓN, SÓLO EN LA CARA LIBRE SUPERFICIAL

MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON UNA CARA LIBRE Y CARGA ESFÉRICA - CRÁTER

ZONA DE AGRIETAMIENTO RADIAL ANILLO DE ROCA PULVERIZADA ONDAS DE CHOQUE REFLEJADAS

TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO

CARA LIBRE INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS

1. ESPACIAMIENTO ADECUADO

ESPACIAMIENTO

ONDAS DE CHOQUE

CARA LIBRE

2. ESPACIAMIENTO MUY CORTO (PROYECCIÓN EXCESIVA)

ESPACIAMIENTO

SOBREROTURA

TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO

INFLUENCIA ENTRE TALADROS ANILLO DE ROCA PULVERIZADA

ANILLO DE ROCA

PULVERIZADA

CARA LIBRE

3. ESPACIAMIENTO MUY AMPLIO (LOS TALADROS SE SOPLAN)

ESPACIAMIENTO

TRANSMISIÓN ONDA DE CHOQUE EN UN MEDIO ROCOSO

n

PoD

x

PTm





1

2

VC

x

r

VoD

x

e

n







PoD=Presión de detonación (Kpa) δ_e =Densidad del explosivo (g/cc) VoD=Veloc. de detonación

PTm=Presión transmitida max (Kpa) n =Relación impedancia explo-roca

σ_i=Tensión radial de compresión PB=Presión en la pared del taladro r_b =Radio del taladro

DS=Distancia del centro del taladro al punto de estudio

X=Exponente de lal ey de amortiguación de cargas cilíndricas es 2

VC=Vel. Propagación enn roca (m/seg) δr =Densidad de l roca (g/cc)

SECUENCIA DE VOLADURA EN UN BANCO

SECUENCIA DE VOLADURA EN UN BANCO

ONDAS COMPRESIVAS ONDAS TENSIVAS REFLEJADAS

SECUENCIA DE VOLADURA EN UN BANCO

ONDAS COMPRESIVAS ONDAS TENSIVAS REFLEJADAS

PRESIÓNDE LOS GASES

SECUENCIA DE VOLADURA EN UN BANCO

ONDAS COMPRESIVAS ONDAS TENSIVAS REFLEJADAS PRESIÓNDE LOS GASES SECUENCIA DE VOLADURA CON RETARDOS

Efecto de las discontinuidades en la fragmentación del macizo rocoso

Sistema de Discontinuidades

Agrietamiento Idealizado Fragmentación por Voladura

+

=

RADIO DE INFLUENCIA DE UNA DETONACIÓN

Agrietamiento radial de la roca y la influencia de

taladros contiguos

PARÁMETROS IMPORTANTES PARA DISEÑO DE UNA VOLADURA DE ROCAS

1. PARÁMETROS DEL EXPLOSIVO

2. PARÁMETROS DE LA ROCA

3. PARÁMETROS DE CARGA O GEOMETRÍA DE DISPARO

PARÁMETROS IMPORTANTES PARA DISEÑO DE UNA VOLADURA DE ROCAS

1. PARÁMETROS DEL EXPLOSIVO Propiedades Físico- Químicas

• Densidad • VoD • PoD • Resistencia al agua • Volumen de gases • Simpatía o transmisión • Brisance • Energía disponible • Sensibilidad • Sensitividad • Calor de explosión • Impedancia de detonación

• Presión del taladro

• Categoría de humos

Condiciones de carga explosiva

• Diámetro de carga • Geometría de la carga • Distribución de la carga • Grado de acoplamiento • Grado de confinamiento • Densidad de carga

• Tipo y ubicación del cebo

• Factor de carga (Kg/Ton)

• Factor de potencia (Cal/Ton)

• Retardos e iniciación de las cargas

• Variables de perforación: Long y Ø tal, malla e iniciación

PARÁMETROS IMPORTANTES PARA DISEÑO DE UNA VOLADURA DE ROCAS

2. PARÁMETROS DE LA ROCA Propiedades físicas:

-Densidad: Indica la dificultad para volarla y varía entre 1,0 a 4,5 g/cm3 _.

Rocas densas requieren explosivos densos y de mayor VoD y PoD para fragmentarse.

-Dureza: Indica aproximadamente la dificultad para perforar y fragmentar . -Tenacidad: Indica la facilidad o dificultad de romperse por efecto de

fuerzas de compresión, tensión e impacto, variando entre los rangos de friable (fácil), intermedia y tenaz (difícil).

-Textura: Trama o forma de amarre de los cristales o granos y su grado de

cementación o cohesión, está relacionada con su facilidad de rotura.

-Porosidad: Proporción de poros u oquedades y su capacidad de absorver

agua.

-Variabilidad: Las rocas no son homogéneas en su composición y textura;

tienen un alto índice de anisotropía o heterogeneidad.

-Grado de alteración: Deterioro producido por efecto del intemperismo y

aguas freáticas, y de los fenómenos geológicos que las modifican o transforman.

PARÁMETROS IMPORTANTES PARA DISEÑO DE UNA VOLADURA DE ROCAS

2. PARÁMETROS DE LA ROCA

Propiedades elásticas o dinámicas de la roca:

- Absorción de energía: Capacidad de energía necesaria para fragmentarse - Frecuencia o velocidad de onda sísmica: Velocidad con la que estas ondas

atraviesan las rocas.

- Resistencia mecánica: Resistencia a las fuerzas de compresión y tensión. - Fricción interna: Habilidad de las superficies internas para deslizarse bajo

esfuerzos (Ejem: Rocas estratificadas).

- Módulo de Young: Resistencia elástica a la deformación.

- Radio de Poisson: Radio de contracción transversal o extensión longitudinal del

material bajo tensión.

- Índice calidad de roca: Fracturas expresado en %, conocido como RQD. - Impedancia: Relación de la velocidad sísmica y densidad de la roca versus

la velocidad de detonación y la densidad del explosivo.

Usualmente las rocas con alta frecuencia sísmica requieren explosivos de alta velocidad de detonación.

PARÁMETROS IMPORTANTES PARA DISEÑO DE UNA VOLADURA DE ROCAS

2. PARÁMETROS DE LA ROCA

Condiciones geológicas:

- Estructura: Es la forma de presentación de las rocas y está en relación con su

origen o formación (macizos, estratos, etc.).

- Grado de fisuramiento: Indica la intensidad y amplitud del fracturamiento

natural de las rocas. Son importantes la orientación (rumbo y buzamiento) de los sistemas de fisuras y el espaciamiento entre ellos, así como los tipos de relleno en las discontinuidades

- Perforabilidad: Facilidad para ser perforado

- Presencia de agua: Agua subterráneas y define incluso el tipo de explosivo a

PARÁMETROS IMPORTANTES PARA DISEÑO DE UNA VOLADURA DE ROCAS

3. PARÁMETROS DE CARGA O GEOMETRÍA DE DISPARO

• Diámetro del taladro

• Burden

• Espaciamiento

• Longitud de taladro

• Inclinación del taladro

• Longitud de carga • Distribución de carga • Densidad de carga • Tipo de iniciación • Grado de confinamiento • Sobre perforación • Retardos • Acoplamiento • Colocación de tacos

Modelo de optimización determinista PROPIEDADES DE PROPIEDADES DE INFORMACION DE DATOS ECONOM.

ROCAS Y MACIZOS LOS EXPLOSIVOS EQUIPOS DE PERF., PRECIOS EXPLOS., ROCOSOS CARGA Y TRANSP. ACCESORIOS

Si No

No

Si

Figura 6. Estructura Básica de un Modelo de Optimización de Costos

BASE DE DATOS DISEÑO DE ESQUEMAS DE PERFORACION Y CARGAS MODELO DE PREDICCION DE LA FRAGMENTACION FRAGMENTACION MEDIA SIMULACION DE LAS OPERACIONES DE CARGA, TRANSP., CHANCADO ANALISIS SENSIBILIDAD EVALUACION FRAGMENTACION REAL FRAGMENTACION FRAGMENTACION TEORICA REAL = ? MODIFICACION PARAMETROS DE CALCULO AJUSTE DEL MODELO DE PREDICCION Y DATOS DE PARTIDA INFORMES VOLADURA OPTIMA ?

EVENTOS O PERÍODOS BÁSICOS EN

EL PROCESO DE FRAGMENTACIÓN

1. DETONACIÓN

2. PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS DE CHOQUE 3. EXPANSIÓN DE LOS GASES

CLASIFICACIÓN GENERALIZADA DE ROCAS PARA VOLADURA

TENACES INTERMEDIAS FRIABLES

Gneiss Riolita Rocas alteradas varias Granito-Gabro Andesita Serpentina

Aplita Dacita Yeso-Anhidrita Sienita-Monzonita Traquita Pizarra-Filita

Diorita-Garnodiorita Fonolita Lutita-Arcilla compacta Basalto – dolerita Obsidiana (vidrio

volcánico)

Conglomerado y brecha no compactada

Norita Toba y brecha

volcánica Carbón – antracita Caliza silicificada Arenisca cementada Marga

Cuarcita – chert Pizarra metamórfica Caliza ligera Hematina silícea – hornfeld Caliza – dolomita Travertino Minerales de hierro densos

(magnetita – pirrotita) Mármol – baritina Arenisca Andesita – dacitas frescas Conglomerado

cementado Pómez – tufita Pórfidos duros: dikes y

lamprófidos duros y densos Pórfido de cobre Minerales de hierro Cuarzo con oro - wolframio Minerales de cobre,

PRINCIPALES VARIABLES PARA EL

DISEÑO DE TANDAS DE VOLADURA

A. VARIABLES CONTROLABLES

1. Geométricas

2. Físico-químicas del explosivo 3. De tiempos

B. VARIABLES NO CONTROLABLES

1. Geología

2. Propiedades del material

3. Resistencia a la compresión y tracción 4. Comportamiento estructural del terreno 5. Condiciones ambientales del terreno 6. Presencia de agua