Control de Vibraciones Inducidas por Voladura en campo lejano.pptx

CONTROL DE VIBRACIONES INDUCIDAS POR VOLADURA EN CAMPO LEJANO S e r v i c i o s Té c n i c o s d e I n g e n i e r í a D a v e y B i c k f o r d Sipervor XII S i m p o s i o I n t e r n a c i o n a l d e P e r f o r a c i o n y V o l a d u ra d e R o c a s Noviembre, 2013 Lima, Peru

Balanceando Fuerzas Encontradas

Balanceando Fuerzas Encontradas

T r a n s fe fe r e n c i a d e e n e r g i a Es un hecho de la causa que no toda la energía de la voladura se consume en forma productiva, fragmentando y desplazando la pila de roca Una fracción de esta energía escapa de la zona inmediata alrededor de la voladura y la mina/cantera La transferencia de esta energía se traduce en ondas que se propagan, a través de varios cientos de metros (si no más lejos) y afecta a las comunas, instalaciones e infraestructuras aledañas 

Energía de vibración en el suelo



Energía de vibración en el aire

Es necesario lograr controlar el traspaso de la energía al macizo rocoso para poder mantener un equilibrio entre el desempeño de la operación y el buen comportamiento cívico de la empresa

T r a n s fe fe r e n c i a d e e n e r g i a

Opciones de Control Mediante parámetros de diseño 

Perforación •

•



Explosivo •

•



Malla Diámetro

Forma de cargar (distribución espacial) Retención (taco)

Tiempo •

•

Secuencia Tecnología

VIBRACIÓN EN CAMPO LEJANO

Vibración terrestres No se consume toda la energía de la voladura en el campo cercano, fragmentando y desplazando Inevitablemente una fracción se propaga más allá de los límites de la mina/cantera

La intensidad de la vibración puede dañar estructuras y molestar los vecinos Si los vecinos son abogados; la vida se pone muy interesante, muy rápidamente Pero hay medidas de control …

Vibración terrestres Controlar vibración significa controlar la transmisión de energía al punto de interés Vivienda Oficinas Iglesias u otras estructuras históricas







Controlar la cantidad de energía liberada por unidad de tiempo Controlar la cantidad de energía



•

Diámetro, largo, tipo de carga explosiva

Controlar el tiempo



•

Retardos, tiempos, tecnología

Cada medida de control exige más y mayor gasto o sacrificio de tiempo  – predicción de eficacia de las medidas es de primordial importancia

Normas de Vibración Hoy en día la vía para controlar el impacto de las vibraciones en el campo lejano pasa por la medición y el modelamiento – predicción y remediación a priori Teniendo una clara descripción (cuantitativa) de la voladura y su impacto  – se puede construir modelos para simular expectativas según características del diseño Para ocupar el proceso de modelamiento y predicción de niveles y características de vibración, es necesario contar con límites claros y explícitos con los cuales la voladura debe cumplir Existe una variedad de Normas Internacionales que intentan describir el contexto de límites cuantitativos con los cuales las operaciones mineras, canteras y hasta proyectos de construcción involucrando la voladura, deben cumplir cabalmente

Normas de Vibración Norma Española UNE 22-381-93 Norma Sueca – Swedish Standard – SS 460 48 66 Norma Alemana DIN 4450 USBM Recommendation RI 8057 Australian Standard AS 2187.2-1983

SPCC – Environmental Noise Control Manual

V i b r a c i ó n  –   N o r m a s - E s p a ñ o l a

TIPO DE ESTRUCTURA I II III

FRECUENCIAS PRINCIPALES ( 2 - 15) ( 15 - 75) ( > 75) VELOCIDAD (MM/S) DESPLAZAMIENTO (MM) VELOCIDAD (MM/S) 20 0.212 100 9 0.095 45 4 0 042 20

V i b r a c i ó n  –   N o r m a s - S u e c a PPVlim = Vo x Fk x Fd x Ft Donde; Vo

=

velocidad característica

=

Vp/65

=

factor de calidad de construcción

=

función de tipo de estructura y materiales

Fd

=

factor de distancia (incluyendo tipo de suelo)

Fk

=

factor relacionado con tiempo de permanencia

Fk

del proyecto; proyectos cortos  – niveles mayores

V i b r a c i ó n  –   N o r m a s  –   D I N 4 4 5 0

Límite absoluto de 8mm/s para estructuras más expuestos

V i b r a c i ó n  –   N o r m a s  –   U S B M R I 8 5 0 7

RI 8507 Frequency Plot 100

   )   s 10    /   m   m    (    V    P    P 1

0.1 1

10

Frequency (Hz)

100

V i b r a c i ó n  –   N o r m a s  –  A S 2 1 8 7 . 2 - 1 9 8 3

Tipo de Estructura

PPV mm/s

Edificios históricos y monumentos de alto valor o significado

2.0

Casas y edificios residenciales

10.0

Edificios comerciales e industriales o estructuras construidas de concreto reforzado o acero

25.0

V i b r a c i ó n  –   N o r m a s  –  S P C C * ( 1 9 8 5 ) Tiempo de Voladura

Sobre-presión (dB)

PPV (mm/s)

Lunes Sábado

06:00

 –

09:00

105

2.0

Lunes Sábado

09:00

 –

15:00

115

5.0

Lunes Sábado

15:00

 –

20:00

105

2.0

Domingo y Feriados

06:00

 –

20:00

95

1.0

Todos los días

20:00

 –

06:00

95

1.0

 –

 –

 –

* SPCC = Comisión Estatal de Control de Contaminación

Comparando Valores Actividad

PPV mm/s

Pasos, caminando

0.8

Saltando

7.1

“Portazo” 

12.7

Martillando clavos

22.4

Activades ambientales (tráfico, etc.) Voladuras

Percepción varía según edad, salud, hora del día, etc.

30 - 76 1 - 12

Modelamiento de Vibración Hoy en día la vía para controlar el impacto de vibración en el campo lejano pasa por medición y modelamiento – predicción y remediación Teniendo una clara descripción (cuantitativa) de la voladura y su impacto  – se puede construir modelos para simular expectativas según características del diseño Así se puede evaluar los méritos de estrategias alternativas para aminorar el problema Y mantener en operación nuestra operación y fuente de empleo

V i b ra c i ó n e n e l C a m p o L e j a n o

Modelamiento de Vibración Registros de vibración, “onda elemental”, describen la respuesta del

macizo rocoso a una carga solitaria y definida La combinación de una serie de estas ondas elementales provee una estimación confiable del resultado final Experimentos han mostrado un alto grado de reproducibilidad en las características de la onda elemental – la “huella digital” vibracional de la carga Y mantener en operación nuestra faena y fuente de empleo

Modelamiento de Vibración Partiendo de una base de señales de vibración generadas por cargas solitarias e identificables (distancia, cantidad de carga, geometría)

Mina Perdida 1.0

   e 0.8 Mina Perdida    d    u 0.6    t    i    l 1.0    p 0.4    m 0.2   e 0.8 Mina Perdida    d    A    u 0.6    d 0.0   i    t    l    e 1.0 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.4 -0.2    s    p    i    l    a -0.4   m 0.2   e 0.8 Mina Perdida    d    A    m    u 0.6    r -0.6   d 0.0    t    i    o    l    e 1.0 0.000 0.010 0.015 0.020   0.0 25 0.0 30 0 .0 35 0 .0 40    s -0.2    p 0.4 0.005    N -0.8   i    l    m    e Mina Perdida -1.0   a -0.4   A 0.2    d 0.8    m    u    r -0.6   d 0.0   t 0.6    i    o Time (sec)    l    e 1.0 0.000 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040    s -0.2    p 0.4 0.005    N -0.8   i    l    m    e 0.8 -1.0   a -0.4   A 0.2    d    m    u 0.6    r -0.6   d 0.0   t    i    o Time (sec)    l    e 0.000 0.010 0.015 0.020   0.0 25 0.0 30 0 .0 35 0 .0 40    s -0.2    p 0.4 0.005    N -0.8   i    l    m -1.0   a -0.4   A 0.2    m    r 0.0 -0.6   d    o Time (sec)    e 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035    s -0.2    N -0.8   i    l    a -1.0

-0.4

   m    r -0.6    o    N -0.8

Time (sec)

-1.0

Time (sec)

De esta manera se puede simular un rango muy amplio de geometrías, distancias, y formas de volar – tanto en el campo cercano como en el campo lejano

0.040

La superposición de la tren de ondas “semillas” se realiza en

base de tiempos de iniciación y geometría relativa entre voladura y punto de interés (medición y simulación) 20000 15000 10000 5000 0 0 -5000 -10000

500

1000

1500

2000

Reproducibilidad de Ondas Elementales

Una serie de mediciones en el mismo punto Con la misma instrumentación Cuantificando la vibración producida por cargas casi idénticas A la misma distancia Alto grado de confianza

Modelamiento de Vibración La onda elemental representa la mínima intensidad de vibración esperable, producto de     

Tipo y cantidad de explosivo Diámetro de barreno Largo de barreno Distancia al punto de medición Características del macizo rocoso (atenuación, V P)

La combinación sumatoria de las ondas elementales aumentará el nivel de vibración según    

Cantidad de barrenos (no. de filas, no. de barrenos por fila) Retardos (tiempos absolutos, calidad de dispersión – pirotécnico vs. electrónico) Geometría de la voladura y dirección hacia el punto de interés Secuencia de salida y dirección de iniciación

Estudiamos un Caso de Estudio para explorar la potencial para controlar la intensidad de vibración en el campo lejano

Caso de Estudio Cantera “Mina de la Discordia” 















Caliza Bancos de 18m Barrenos de 140mm Roca mediana – dura, competente Malla – 5.0m x 4.0m F.C. ~ 225g/t Voladuras de 4 filas Tiempos pirotécnicos – 25ms,42ms,500ms 626

651

676

701

726

751

776

801

826

851

876

901

926

951

976

584

609

634

659

684

709

734

759

784

809

834

859

884

909

934

542

567

592

617

642

667

692

717

742

767

792

817

842

867

892

500

525

550

575

600

625

650

675

700

725

750

775

800

825

850

►

Caso de Estudio Cantera “Mina de la Discordia” 

Carga/Fragmentación Muckpile Fragmentation Distribution BlasFrag Prediction 100% 4.5 m stem

90% 80% 70%

11.0m (135 kg)

  g   n 60%    i   s   s 50%   a    P    % 40%

30% 20% 4.0 m (70 kg) Em 1.15

10% 0%

205 kg Expl.

10

100

1000

Particle Size (mm)

10000

Caso de Estudio Cantera “Mina de la Discordia” 

Definir el punto de monitoreo



Distancia, dirección, punto de iniciación 0°

+45°

-45°

-90°

►

+90°

Caso de Estudio Características generales de la voladura  – Caso Base Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (25ms/42ms/500ms)







PPV (mm/s) 50 45 40 35 30

RI 8507 Frequency Plot

25 20 15 10

100

5 0 -90

   )   s 10    /   m   m    (    V    P    P 1

-60

-30

0

30

60

90

Direction (degrees) Simulations

NPS

30 20

0.1 1

10

Frequency (Hz)

100

   )   s 10    /   m   m 0    (    V 600    P    P -10

1600

2600

-20 -30

27 ± 5 mm/s

-40

Time (ms)

3600

Caso de Estudio Características generales de la voladura  – Variante 1 Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (17ms/100ms/500ms)







PPV (mm/s) 60 50 40

RI 8507 Frequency Plot

30 20

100

10 0 -90

-60

-30

0

30

60

90

Direction (degrees)

   )   s 10    /   m   m    (    V    P    P 1

Simulations

NPS

20 15

0.1 1

10

Frequency (Hz)

100

   ) 10   s    /   m 5   m    (    V 0    P    P 600 -5

1600

2600

-10 -15

25 ± 6 mm/s

-20

Time (ms)

3600

Caso de Estudio Características generales de la voladura  – Variante 2



Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (17ms/100ms/500ms)



Invertir dirección de iniciación

 

PPV (mm/s) 60 50 40

RI 8507 Frequency Plot

30 20

100

10 0 -90

   )   s 10    /   m   m    (    V    P    P 1

-60

-30

0

30

60

90

Direction (degrees) Simulations

NPS

30 20    )   s    /   m 10   m    (

0.1 1

10

Frequency (Hz)

100

   V    P    P

0 600

1600

2600

-10 -20

25 ± 4 mm/s

-30

Time (ms)

3600

Caso de Estudio Una alternativa válida es la de dividir la carga explosiva en dos “decks”, separados por un taco

intermedio Si bien implica más trabajo (conseguir y cargar el taco, interrumpir el proceso de carguío explosivo) y mayor gasto en accesorios (dos cebos en vez de uno  – o cuatro en vez de dos) se puede estudiar la opción Partiendo con un retardo de 9ms entre decks

20.0 4.5m stem 15.0 94 kg expl. 10.0 1.5 m stem 5.0 94 kg expl. 0.0

Row #1

Row #2

Row #3

Row #4

Caso de Estudio Características generales de la voladura  – Variante 3 Dos decks por barreno (9ms entre decks) Iniciación pirotécnica (9ms/17ms/100ms/500ms)





PPV (mm/s) 35 30 25

RI 8507 Frequency Plot

20 15 10

100

5 0 -90

   )   s 10    /   m   m    (    V    P    P 1

-60

-30

0

30

60

90

Direction (degrees) Simulations

NPS

30 20

0.1 1

10

Frequency (Hz)

100

   )   s 10    /   m   m 0    (    V 600    P    P -10

1600

2600

-20 -30

18 ± 4 mm/s

-40

Time (ms)

3600

Caso de Estudio Eligiendo distintas combinaciones de retardos en forma aleatoria parece no entregar una respuesta rápida ni muy útil Se requiere investigar una gama amplia de alternativas; una “búsqueda” de la

combinación óptima Veamos …

O p t i m i ze T i m i n g   Min. I-H Delay

9 ms

Min. Deck Delay

7 ms

Max. I-H Delay

35 ms

Max. Deck Delay

13 ms

Min. I-R Delay

70 ms

Max. I-R Delay

120 ms

Caso de Estudio Características generales de la voladura  – Variante 4 La búsqueda sugiere un cambio de retardos Iniciación pirotécnica (10ms/25ms/100ms/500ms)





PPV (mm/s) 30 25 20

RI 8507 Frequency Plot

15 10

100

5 0 -90

   )   s    /   m   m    (    V    P    P

-60

-30

0

30

60

90

Direction (degrees)

10

Simulations

NPS

20 1

15    ) 10   s    /   m 5   m    (

0.1 1

10

Frequency (Hz)

100

   V    P    P

0 600 -5

1600

2600

-10 -15

16 ± 3 mm/s

-20

Time (ms)

3600

Caso de Estudio Por medio de separar la carga en dos (reduciendo la carga instantánea  – kg) se ha logrado reducir la vibración desde 27mm/s a 16mm/s El costo de realizar este ajuste está en el gasto en accesorios y tiempo necesario para cargar la voladura Si la reducción en nivel de vibración aún no es suficiente entonces se debe seguir experimentando ¿Opciones? 

¿3 Decks? •



Costo en accesorios y (por sobre todo) tiempo y eficiencia puede ser muy alto

¿Iniciación electrónica? •

Veamos….

Caso de Estudio El algoritmo de búsqueda puede incluir los efectos de la mayor precisión, exactitud y flexibilidad otorgada por sistemas de iniciación electrónica Punto clave: la flexibilidad de escoger una combinación de tiempos de retardo abre dimensiones de pruebas no disponibles en el mundo pirotécnico Como resultado de la búsqueda previamente mencionado se sugiere una combinación de 13ms/26ms/118ms (el retardo de 500ms al fondo del barreno no tiene importancia).

Caso de Estudio Características generales de la voladura  – Variante 5   

Iniciación electrónica (13ms/26ms/118ms) Seguimos con dos decks separados Los resultados son notables RI 8507 Z Curve: 13 / 26 / 118 ms

Delays: 13 / 26 / 118 ms

100

6 4

   )   s    /   m   m    (    V    P    P

2    )   s    /   m 0   m 0    (    V -2    P    P -4

10

1

1000

2000

3000

-6 0.1 1

10

100

-8

Time (ms)

Frequency (Hz)

4.4 ± 0.4 mm/s

4000

5000

Caso de Estudio Características generales de la voladura  – Variante 5   

Iniciación electrónica (13ms/26ms/118ms) Seguimos con dos decks separados Los resultados son notables RI 8507 Z Curve: 13 / 26 / 118 ms

Delays: 13 / 26 / 118 ms

100

6 4

   )   s    /   m   m    (    V    P    P

2    )   s    /   m 0   m 0    (    V -2    P    P -4

10

1

1000

2000

3000

-6 0.1 1

10

100

-8

Time (ms)

Frequency (Hz)

4.4 ± 0.4 mm/s

4000

5000

Beneficios de Optimizar (reducir) Niveles de V i b ra c i o n e n e l C a m p o L e j a n o Mejorar relaciones con comunas vecinas 

Evitar acción social, recursos de protección, etc.

Permitir la explotación de mayores porcentaje de recursos naturales (minimizar “esterilización”) 

Cuando los cuerpos mineralizados se extienden hacia los pueblos vecinos y se requiere dejar una zona de “buffer” esterilizada

Facilitar permisos para desarrollar nuevos proyectos 

Autoridades gubernamentales pueden revocar permisos si hay dudas respecto a las influencias dañinas entre un proyecto y otro proyecto vecino

Facilitar la coordinación del desarrollo de proyectos adyacentes dentro de la misma propiedad minera 

Ej.: La interacción entre la explotación de una operación de superficie y el desarrollo de una nueva mina subterránea, por parte de la misma minera

ONDA EXPANSI VA - A IRBLA ST La vibración menos esperada

Airblast “Ruido” es la manifestación de la vibración área en contacto con un las

partículas de un medio “Airblast ” = Sobrepresión de aire inducida por voladura

Frecuentemente la fuente real de la molestia vecinal Medible (micrófonos) “Modelable” y controlable

Medidas: 







Sistemas de iniciación Secuencia de salida Implementación de taco Filosofía operacional de voladura

Factores Causantes de la Onda Expansiva Pulso de Presión de la Roca – relacionado con el área de la cara libre (y altura del banco)

Escape de gases por estructuras Escape de gases por eyección del taco

Uso de cordón detonante 

Superficie



En el barreno : disrupción del taco (escape prematuro de gases)

Fuentes de la Onda Expansiva

M e d i c i ó n d e l a O n d a E x p a n s i va La sobre-presión en el aire es mucho más que el sonido audible Para voladuras la mayoría de la energía se encuentra en la banda de frecuencias debajo de 20Hz (inaudible para seres humanos) Por ende, no se puede medir con micrófonos convencionales Se mide en dB (decibeles) lineal

Po



20  10

6

Pa

Po representa el umbral de audibilidad y es igual a 0 dB

O n d a E x p a n s i v a  –  N o r m a s  –  S P C C * ( 1 9 8 5 ) Tiempo de Voladura

Sobre-presión (dB)

PPV (mm/s)

Lunes

 –

Sábado

09:00

 –

15:00

115

5.0

Lunes

 –

Sábado

06:00

 –

09:00

105

2.0

Lunes

 –

Sábado

15:00

 –

20:00

105

2.0

Domingo y Feriados

06:00

 –

20:00

95

1.0

Todos los días

20:00

 –

06:00

95

1.0

* SPCC = Comisión Estatal de Control de Contaminación

La Percepción Humana La percepción humana es mucho más sensible que el efecto físico y real sobre estructuras El elemento de sorpresa y “susto” es muy relevante

La sobre-presión empieza a molestar mucho antes de se puede dañar Percepción de elementos transientes es más notable que para fuentes constantes (y familiares) La percepción humana se relaciona con varios temas, incluyendo (sin ser restringido a) intensidad absoluta (PPV), el contenido  de frecuencia de la vibración, la duración del evento de voladura y la hora del día Optimizar tomando en cuenta todos estos aspectos es complejo pero es nuestra misión

Fuentes Cotidianas

Po



20  10

6

Pa

Airbast es una presión, dimensionalmente equivalente a un esfuerzo La medición de presión del aire incluye frecuencias no audibles (‹ 20Hz)

M e d i c i ó n d e l a O n d a E x p a n s i va El nivel de dispersión o variabilidad estadística en mediciones de sobre-presión es más alto que para vibraciones Elementos que escapan del control de la voladura afectan más a la sobrepresión que a la vibración Eyección de taco Escape de gases por la cara libre Aspectos del medio ambiente (clima)







•

•

•

Viento Nubosidad Humedad

Aún así se puede medir tendencias y modelar

M e d i c i ó n d e l a O n d a E x p a n s i v a : V i e n to

M e d i c i ó n d e l a O n d a E x p a n s i v a : V i e n to

Richards y Howarth, 2009

Factores de Mitigación Evitar el uso de cordón detonante 



En la superficie provoca ruido de alta frecuencia En el barreno causa disrupción del taco y promueve escape prematura de gases

Usar taco adecuado Orientación de la cara libre (dentro de lo posible) Seleccionar punto y dirección de iniciación (dentro de lo posible) Considerar la altura del banco – o longitud de la carga Control sobre distancia entre primera fila y la cara libre (considerar medición de perfiles de cara libre)

Modelando para definir tendencias Asumiendo un buen nivel de control sobre aspectos de calidad de implementación del diseño 

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Taco Cara libre Cordón detonante, etc.

Fuente importante de sobre-presión es el efecto de vibración de la cara libre DB tiene capacidad de modelar tendencias en este fenómeno Revisamos algunos de estos aspectos

Modelando para definir tendencias: Retardos entre pozos Diámetro de Barreno = 115mm, ANFO, 100kg, Longitud de carga = 12m

Efecto de Retardos 130 120    )    B 110    d    (   n    ó    i 100   s   e   r    P   - 90   e   r    b   o 80    S

70 60 9

17

25 Retardo (ms) Efecto de Retardos

42

65

Modelando para definir tendencias: Dirección de Iniciación Diámetro de Barreno = 115mm, ANFO, 100kg, Longitud de carga = 12m

Dirección de Iniciación 130 120 110 100 90 80 70 60 Sur a Norte

Norte a Sur

Dirección de Iniciación

Centro

Conclusiones Finales La voladura perfecta no existe La voladura óptima es un ejercicio de compromiso – balance entre una cantidad grande y variable de “clientes”

Según la ubicación física de la operación y la naturaleza del producto que la compañía comercializa, algunos clientes estarán más presentes que otros; puede ser que algunos ni siquiera se hacen presente Cuando hay contradicción y conflicto entre los deseos y necesidades de los clientes se hace necesario priorizar entre los más importantes o amenazantes Tecnología existe para evaluar los resultados de cada diseño y entregar pronósticos de los resultados en términos cuantitativos, pero la elección de la estrategia optimizada depende aún en el juicio profesional de los ingenieros de perforación y voladura

Conclusiones Finales La superposición de ondas de vibración es el método principal detrás de todas las técnicas de modelamiento de vibración por la vía de onda elemental La mayoría, tal vez todas las herramientas que ejecutan este tipo de trabajo serán similares en cuanto a esta característica El resultado final que se consigue depende de los tiempos con los cuales cada pulso de vibración arriba al punto de interés o síntesis de la tren de vibración final Estos tiempos dependen de los retardos elegidos pero también de la dirección de iniciación, la distancia entre sensor (punto de interés) y cada carga, la Vp del macizo rocoso y también la forma de la secuencia de iniciación (echelon, V1, V2, etc.) Estas dependencias significan que se puede conseguir una solución por cualquier voladura (incluyendo soluciones de compromiso entre dos o tres puntos de interés simultáneamente) pero se tiene que entender que esta solución solamente tendrá relevancia y validez para la secuencia de iniciación elegida