7. geomecanica_tronadura

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Aspectos Geomecánicos de la Tronadura P. Arratia, G. Barindelli

Resumen El presente trabajo expone los principales aspectos geomecánicos que deben ser considerados en el diseño de una tronadura como en su implementación. La principal forma de daño que ocasiona la tronadura es fracturamiento debido a la propagación de ondas sísmicas por el macizo rocoso. Además, una incorrecta implementación de un diseño también puede producir efectos no deseados como sobreexcavación y daño por vibraciones en las obras de ingeniería. La tronadura al ser ejecutada libera energía en forma de ondas mecánicas, principalmente P y S en el campo cercano, las cuales generan esfuerzos de compresión y corte respectivamente que incrementan los estados de esfuerzo in situ de la zona e interactúan con ellos, llegando a afectar desde los precortes hasta la estabilidad de una infraestructura minera. De ahí la importancia del control de estas variables, tanto en la etapa de diseño por parte de geomecánica como de tronadura en su implementación.

Palabras Clave: daño, geomecánica, mecánica de rocas, tronadura, vibraciones.

1.

INTRODUCCIÓN

En la construcción de la infraestructura minera, la tronadura tiene un rol fundamental puesto que es con ella con la cual se realiza la mayoría de las excavaciones en roca. De ahí la importancia de controlar los distintos parámetros de la tronadura que puedan afectar al diseño geomecánico, ya sea en el caso de un talud como de un nivel de producción en minería subterránea, o un pilar. Un buen diseño geomecánico debe estar acompañado de una buena faena de tronadura, que minimice los efectos en daños a la estructura que se construye y que no active las inestabilidades presentes, principalmente. Muchos autores del área de la mecánica de rocas han puesto énfasis en el control de la tronadura como una variable de importancia en la estabilidad de los diseños, sobre todo cuando ellos están controlados estructuralmente. En el presente trabajo se pretende mostrar las relaciones más importantes entre la mecánica de rocas y la tronadura, tanto en la etapa de diseño como de la implementación e

iniciación, incluyéndose discusiones acerca del daño por efectos de la tronadura sobre las obras de ingeniería minera. 2.

CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO

En geomecánica es usual dividir el macizo rocoso en diversas unidades de propiedades similares, conocidas como Unidades Geotécnicas. Es en cada una de estas unidades que el diseño de tronadura debe ser implementado. Se debe aprovechar esta división del macizo rocoso para implementar mejores diseños de tronadura que satisfagan los requerimientos de granulometría, daño, etc., basado en las propiedades de cada una de las unidades geotécnicas. Para clasificar el macizo rocoso se utilizan criterios empíricos, basados principalmente en la observación de estructuras, alteración de la roca, presencia de agua y otras variables que cada uno de los distintos autores ha considerado relevante para elaborar un criterio de clasificación de macizos rocosos. Los criterios más usados en minería son el RMR de Laubsher, y la modificación para condiciones de minería MRMR (o también

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GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS llamado mister-mister), el RMR de Bieniawski, el criterio Q de Barton y últimamente el GSI de Hoek. Una vez que se ha dividido el macizo en las unidades geotécnicas se simplifica el trabajo de análisis del macizo, puesto que cada una de las unidades geotécnicas representa zonas del macizo con un comportamiento físico– mecánico similar.

3.

PARÁMETROS GEOMECÁNICOS RELEVANTES EN EL DISEÑO DE TRONADURAS

Un diseño bueno en tronadura debe considerar tanto la información del macizo rocoso como la granulometría y otras variables deseables para el producto de la tronadura.

En primer término, la información del macizo rocoso puede estar dada por los parámetros geomecánicos definidos para cada unidad geotécnica del área estudiada. Por ejemplo, es típico en minería a cielo abierto utilizar el RMR de Bieniawski para detallar la información respecto a litología y geología estructural, alteración y presencia de agua para un sector. Otro parámetro geomecánico de importancia es la resistencia a la compresión no confinada (UCS). Valores típicos de UCS para las distintas rocas se pueden encontrar en la tabla 1. El UCS permite definir con cierto grado de precisión el comportamiento ante esfuerzos de la roca. Un UCS alto (120 MPa) indica que la roca que se va a tronar es de gran resistencia a la compresión y aproximadamente un 10% del valor UCS de la roca es el valor de la resistencia a la tracción de la roca. López muestra la secuencia de rotura de la roca alrededor de un barreno debido a una tronadura y la interacción entre los barrenos.

Figura 2. Mecanismo de rotura por tronadura

Figura 1. Secuencia lógica del diseño de una tronadura

Otro parámetro de importancia en el diseño de una tronadura es el patrón estructural del sector a tronar. Se debe analizar en este caso la información obtenida por medio de sondajes (RQD, por ejemplo) o por medio de mapeos geológicos del sector. El patrón estructural es una variable relevante en

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GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS cuanto a diseños de tronaduras puesto que es la variable que condiciona principalmente la granulometría obtenida después de la tronadura. Del patrón estructural es importante conocer el tipo de estructura (falla, diaclasa, fractura, etc.), su extensión, frecuencia de fractura en el caso de las estructuras menores y familias de estructuras. De las estructuras mayores se requiere conocer el rumbo y manteo, de manera tal de incluir su orientación espacial en los análisis previos al diseño e implementación de la tronadura y así poder controlar los efectos de la tronadura sobre la estructura geológica.

Figura 3. Mecanismo de ruptura por flexión de la roca. Nótese que son expulsados principalmente bloques de roca intacta

La intersección de las familias de estructuras menores definen bloques de roca intacta que son los que incidirán principalmente en la granulometría obtenida después de efectuada la tronadura.

Figura 4. Importancia granulometría

de

las

estructuras

en

la

En la figura 4 se puede ver el fracturamiento en la vecindad de un barreno de tronadura y cómo este es limitado cuando existe un set estructural alrededor del barreno.

Figura 5. a) y b) Efecto de las discontinuidades en la formación de bloques colgantes como resultado de una faena de tronadura

4.

ONDAS SÍSMICAS TRONADURA

DE

LA

La energía liberada de la detonación de un pozo o de un barreno cargado se propaga por el macizo rocoso de manera ondulatoria. Se ha encontrado que las principales ondas, de naturaleza mecánica que produce una tronadura, son las ondas P (Primary) que generan esfuerzos de compresión, Ondas S (Secondary) que generan esfuerzos de corte y las ondas Raleigh R (de superficie) que son una combinación de las ondas P y S. Las ondas P son conocidas también como ondas de compresión, tienen un movimiento radial respecto al foco emisor de la onda y son las responsables de los esfuerzos

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GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS dinámicos normales en las partículas. Las ondas S, de corte, producen movimientos oscilatorios horizontales de las partículas, generando esfuerzos de corte en ellas. Las ondas Raileigh son una combinación de estas dos ondas mecánicas y su manifestación es en superficie, provocando movimientos elípticos en las partículas. Un cuarto tipo de onda, que se manifiesta en superficie es la onda Q (Love). Esta onda genera esfuerzos de corte en la dirección horizontal transversal.

Donde E1 es el módulo de deformación dinámico de la roca intacta;  es la razón de Poisson dinámica de la roca intacta. Para las ondas S, la relación es:

  E CS   2    1   

1 2

Donde E es el módulo de deformación dinámico de la roca intacta; es la razón de Poisson dinámica de la roca intacta. En la práctica lo que se hace es medir en laboratorio la velocidad de las ondas P y S, y a partir de estos resultados se encuentran los módulos dinámicos de la roca intacta. El valor de las velocidades de propagación de las ondas mecánicas por la roca intacta es de mucha importancia en el control de vibraciones producidas por tronaduras.

Figura 6. Ondas P y S

Figura 7. Ondas Q y R

Se han encontrado relaciones matemáticas entre las propiedades de ingeniería de la roca y la velocidad de propagación de la onda por el macizo rocoso. Estas propiedades de ingeniería están medidas en condición dinámica, que es en la condición en la cual se desarrolla la tronadura. Para el caso de las ondas P la ecuación es: 1

 E 1     2 CP    2   1   1   





El macizo rocoso, debido a su naturaleza discontinua, anisotropita, heterogénea y no elástico – lineal, presentará necesariamente una velocidad de propagación de la onda sísmica (conocida como Vp de la onda) menor a la medida en laboratorio a los especimenes de roca intacta. Para conocer la velocidad de propagación de la onda sísmica en el macizo rocoso es necesario realizar ensayos en terreno para medir esta velocidad de propagación. El método más conocido para medir la velocidad de propagación de la onda es el método Cross Hole2.

Generalmente el módulo de deformación dinámico E tiene un valor menor al módulo de defromación estático, o módulo de Young, también denotado E. Este último se calcula en el tramo elástico de la curva esfuerzo deformación de una probeta sometida a carga uniaxial. 2 En relación al módulo de deformación hay que señalar que para la velocidad de propagación de la onda en el macizo rocoso se debe utilizar el módulo E característico del macizo rocoso. Este puede ser calculado a partir de algunas de las clasificaciones de macizos rocoso nombradas en el capitulo 2. Véase la referencia [2]. 1

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5. 5.1

DAÑO POR TRONADURAS Estabilidad de labores

Cuando se realiza un diseño geomecánico de un talud, en particular una inestabilidad con control estructural, se hace en condición estática, o sea, la aceleración de las partículas que componen la inestabilidad, sea esta un deslizamiento plano o una cuña, es nula. En condición dinámica, sin embargo, puede suceder que una inestabilidad que en condición estática sea estable no lo sea en condición dinámica. La tronadura es una de las responsables de la aceleración de partículas en el macizo rocoso, y es por esto que hay que tener especial cuidado en diseñar tronaduras tales que las vibraciones producidas no hagan fallar algunas inestabilidades existentes. Karzulovic (1997) mostró que el daño por tronaduras desde la cara libre del banco hacia el interior del talud llega incluso hasta 200 m, en donde se pueden encontrar microfracturas indicadas por la propagación de las ondas producidas por la tronadura. Otro factor relevante es la presencia de una falla en el sector a tronar, o bien en las inmediaciones de este sector. Si bien es cierto que se efectúan análisis de estabilidad para determinar si la falla es estable o no, si estos análisis consideran una condición dinámica dentro de un cierto rango, y si al ejecutarse la tronadura ese rango es excedido, probablemente ocurrirá el colapso de la estructura. Por esto es importante considerar que, para que el diseño de la tronadura sea el mejor posible debe conciliar una serie de factores, a veces antagónicos, a saber:     

Granulometría aceptable Daños mínimos al macizo rocoso Mínimo de sobrequiebre Mínimo de dilución Forma del muckpile adecuada para el equipo de carguío.

Quizás una buena granulometría implica un nivel excesivo de daño al macizo rocoso, o bien la activación de estructuras geológicas. Es en este sentido que el análisis de la distribución de energía de una tronadura es muy relevante, sobre todo cuando se considera que ese movimiento de la energía en forma de onda mecánica es el responsable del daño y de las inestabilidades. La principal variable que afecta al nivel de vibraciones es la carga máxima por retardo. 5.2

Factores

Que

Influyen

En

Las

Vibraciones Como se ha visto, el daño en las obras de ingeniería se produce por la liberación de energía de los explosivos, en forma de onda mecánica. Se ha hallado que las principales variables que afectan a los parámetros de la onda mecánica producida por la tronadura son:  Dispersión de los retardos  Carga máxima por retardo  Cantidad de energía liberada por la tronadura  Características del explosivo  Características del macizo rocoso El problema más grave, en tronaduras en rajo, se produce detrás de la última fila de pozos de la tronadura, puesto que esta cara recibe el máximo de vibraciones hasta el último momento de la tronadura. Y es precisamente esta cara la que será la cara del talud una vez removido el material dejado por la tronadura. Por esto se han desarrollado técnicas para evitar al máximo el daño a esta cara. Una de ellas, quizás la más conocida, es el precorte. Otra técnica es la tronadura amortiguada (smooth blasting) y por último el recorte.

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GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS efectivamente se está cargando, que las perforaciones se efectúen con el menor error de empatadura posible, etc. 6.

6.1 Figura 8. A la izquierda, tronadura amortiguada. A la derecha, tronadura normal.

En la figura 8 se puede apreciar los efectos en superficie de un talud tronado con y sin tronadura amortiguada. Los efectos de esto van desde la sobreexcavación del talud hasta su inestabilidad total, en el peor de los casos. 5.3

Sobreexcavación

La sobreexcavación debida a tronaduras mal ejecutadas o mal diseñadas suele ser un problema de gran importancia en minería. Si se considera el caso de una tronadura en un banco, con una sobrexcavación de 2 o más metros se disminuye considerablemente el factor de seguridad calculado para el banco, además de reducir el tamaño de la berma para contener posibles derrames. Además, el daño sistemático a las paredes de los bancos por sobreexcavación obliga a los diseñadores a disminuir el ángulo de pit final de la mina, con la consiguiente remoción adicional de lastre, que repercute directamente sobre el VAN del proyecto minero. En el caso de minería subterránea, la sobreexcavación en pilares o en galerías compromete, en ambos casos, la estabilidad de la labor, y aumenta los gastos en fortificación. Se han desarrollado múltiples técnicas para evitar el daño a las paredes por efecto de la tronadura y la sobrexcavación. Sin embargo, un aspecto básico para el control de la sobrexcavación producida es la supervisión constante de lo que se está realmente implementando del diseño de la tronadura, a saber: verificar que la cantidad de explosivo indicado en el plano sea la misma que

ESFUERZOS INDUCIDOS TRONADURA

POR

LA

Análisis de Esfuerzo en Excavaciones

En geomecánica es usual efectuar análisis de esfuerzos inducidos por excavaciones con software de elementos finitos o de otro tipo. En general, se ha mostrado que la presencia de una excavación en un macizo rocoso redistribuye los esfuerzos en una zona de influencia de la excavación, llegando incluso a ser varias veces mayor que el estado de esfuerzos in situ preminería. Los resultados obtenidos por medio de este tipo de análisis también se obtienen en condición estática, y los factores de seguridad calculados generalmente no consideran el efecto dinámico de las tronaduras. Por esto, es importante que el diseñador geomecánico sea capaz de prever este daño y lo compense, dependiendo del tipo de infraestructura minera que se diseña, aumentando el factor de seguridad de la excavación.

Figura 9. Análisis de Esfuerzo alrededor de una excavación circular usando Phases 2.2. Nótese la redistribución de esfuerzos alrededor de la excavación.

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GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS Las tronaduras generan esfuerzos inducidos de compresión y de corte sobre el macizo rocoso, los cuales pueden hacer sobrepasar el límite de resistencia de la roca o de una estructura minera, como un socavón o un pilar. Las ondas S pueden activar estructuras geológicas cuando estas son sometidas a la condición dinámica, siendo esta la principal causa de ocurrencia de colapso de inestabilidades en minería tanto subterránea como de superficie. A partir de un análisis de esfuerzos diferenciales actuantes en la vecindad de un barreno de tronadura en detonación permiten determinar el nivel de esfuerzos actuantes sobre la roca en la zona fracturada del barreno.

es un método con el cual se busca generar una fractura continua con la forma final de la labor (talud o socavón) por medio de explosivos, en ausencia de una cara libre local. Como se puede ver en la figura 10, se tienen dos barrenos de precorte, A y B. El barreno A es detonado, generando en B un esfuerzo inducido uniaxial. Como la longitud de onda de una tronadura es mucho mayor que el diámetro de un barreno de precorte, se puede utilizar la solución de Kirsch para analizar los esfuerzos inducidos en el barreno B. En los puntos I y II, el esfuerzo inducido por el barreno A tiene una magnitud

σ   pd mientras que en los puntos III y IV tienen una magnitud de

σ  3 pd

Por otra parte, se ha encontrado que la forma de análisis más efectiva para medir el nivel de esfuerzos inducidos sobre el macizo rocoso por la tronadura es midiendo la velocidad de las partículas del macizo rocoso, por medio de geófonos. Para los análisis se utiliza el valor peak de velocidad de partícula (PPV por sus siglas en inglés) y partiendo de la ley de Hooke para esfuerzos se llega a que

σT 

PPV  E VP

donde E: módulo de deformación del macizo rocoso; PPV velocidad peak de partícula; VP: Velocidad de propagación de la onda sísmica en el macizo rocoso. A partir de esta expresión se puede conocer el valor del esfuerzo de tracción producido por la onda sísmica de la tronadura y efectuar los correspondientes análisis de estabilidad. 6.2

Figura 10. Representación esquemática de un tiro de precorte detonando.

La emisión de ondas de esfuerzo debido a la detonación del barreno B y la superposición con los esfuerzos transientes de borde producidos por el barreno A, resultan en esfuerzos de tracción de valores altos en los puntos I y II y de bajos valores en II y IV. Por esto se inician fracturas radiales preferentemente en la dirección I-II. El efecto de la presión de gas del barreno B promueve el desarrollo de las incipientes fracturas en la dirección I-II.

Teoría del Precorte

Un análisis clásico de los esfuerzos generados por la tronadura es la teoría del precorte. Este CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

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GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS 6.3

Relación con el estado de Esfuerzos In Situ

Sin embargo el análisis anterior es válido para un macizo rocoso continuo, homogéneo, isótropo, linealmente elástico, sometido a un bajo campo de esfuerzos in situ y de poca anisotropía. En el caso que existan esfuerzos in situ de gran magnitud, la dirección preferente de fracturamiento estará dada por la superposición de los esfuerzos generados por los barrenos A y B más el estado de esfuerzos in situ. Generalmente en estos casos la dirección preferente de fracturamiento es en la dirección del esfuerzo principal menor (in situ ) 3. También en situaciones en que exista foliación de la roca, como en el caso de las pizarras y algunas rocas afectadas por metamorfismo dinámico, presentan una dirección preferente de debilidad, por consiguiente de generación de fracturas, en la dirección de la foliación, que también coincide con la dirección de menor resistencia a los esfuerzos. Con esta discusión se pretende mostrar el efecto de los esfuerzos, tanto in situ como inducidos por la tronadura y la anisotropía de los materiales en el diseño de tronaduras, sobre todo en aquellas que tienen por finalidad el minimizar el daño a las labores, como es el caso del precorte.

7.

CONCLUSIONES

En el presente trabajo se mostró los aspectos fundamentales de la geomecánica que deben ser considerados en el diseño y control de una tronadura. Es necesario que el diseñador geomecánico tome en consideración estos aspectos a fin de incluir resguardos en los diseño respecto a la variabilidad de los resultados obtenidos en la tronadura. Esto es fundamental en la construcción de obras mineras en sectores particularmente difíciles, como taludes con familias estructurales que definan inestabilidades, que comprometan el talud global o interrampa, en el caso de la minería a rajo abierto. Problemas frecuentes en la minería, tales como la sobrexcavación sistemática, pueden

ser por lo menos minimizados controlando la implementación en terreno del diseño de gabinete. Se ha mostrado en este trabajo que no controlar este aspecto puede comprometer gravemente el diseño geomecánico del sector, aumentando los costos de producción de la faena minera, lo que se puede evitar de existir el debido control en terreno. La tronadura no sólo involucra términos de granulometría, daño por vibraciones y variables operacionales en su diseño, sino que además debe incluirse el estudio de la relación que existe entre los esfuerzos generados por la liberación de la energía de la tronadura con los esfuerzos in situ e inducidos por la excavación, en el sector en el cual se implementará el diseño. Una obra minera que ha sido diseñada con un factor de seguridad dentro de los rangos de aceptabilidad establecidos puede volverse inestable o colapsar si en el diseño no se incluye el efecto dinámico de la tronadura, o sea, los esfuerzos que ella genera sobre las obras minera. Por otra parte, se ha mostrado la íntima relación entre la geomecánica y la tronadura para obtener diseños que cumplan criterios de aceptabilidad acorde a las políticas de la empresa minera, y que además permitan minimizar costos en estabilidad y fortificación, haciendo el negocio minero más rentable. Se mostró algunas de las variables de la tronadura que afectan directamente a los diseños geomecánicos y variables geomecánicas que condicionan el diseño de la tronadura. No es posible, en la industria minera en particular, sacrificar un buen diseño geomecánico por una mala tronadura, con el fin de minimizar costos a corto plazo, puesto que en el largo plazo estos costos serán mayores que el ahorro logrado.

8.

REFERENCIAS

[1] Brady B.H.G., Brown E.T., Rock Mechanics for Underground Mining. Chapman & Hall 1994.

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GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS [2] Gokceoglu C. et al. Predicting the deformation moduli of rock masses International Journal of Rock Mechanics and Minning Sciences N° 40, 2003. [3] Hoek. E., Carranza-Torres C., Corkum B., Hoek-Brown Failure criterion 2002 Edition. Procedente de la North American Rock Mechanics Society Meeting Toronto, Canada, 2002. [4] Instituto Geominero de España, Manual de Perforación y Voladura de Rocas. Madrid 1994. [5] Karzulovic A., Tronadura y geomecánica hacia la Optimización del negocio minero. Presentación del 5° seminario Dyno Nobel, Antofagasta, Julio 2001. [6] Katsabanis T., Vibration, Procedente del Departament of Minning Engineering, Queen’s University. [7] Overt & Duvall Rock mechanics and the design of structures in rock. J. Wiley & Sons. 1967. [8] Persson P., Holmberg R., Lee J., Rock Blasting and Explosives Engineering. CRC Press., U.S.A. 1994.

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