Geología y Diseño de Voladuras Explosivas | Roca (geología) | Falla (geología)

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE EXPLOSIVOS LICENCIATURA EN INGENIERÍA GEOLÓGICA EFECTOS DE LA GEOLOGÍA EN EL USO DE EXPLOSIVOS Elaborado por:  Acosta, Denisse  González, Katherine  Caicedo, Ricauter

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INTRODUCCIÓN Cada material reacciona diferente, las condiciones nunca son iguales, por lo que ninguna voladura es igual. El correcto estudio de la tierra ayuda en el correcto diseño de la voladura y una buena escogencia de explosivos son vitales para una voladura exitosa. La geología afecta directamente en el uso de los explosivos ya que es un método utilizado para múltiples fines que se resumen en desplazar un macizo rocoso de su posición habitual. El control de la voladura es un tema relacionado directamente con la mecánica de las rocas. Para definir el diseño de la voladura debemos conocer las características geotécnicas del macizo rocoso, esta caracterización del macizo rocoso se da a partir del RMR (Rock Mass Rating), por compresión simple y la clasificación RQD (Rock Quality). OBJETIVOS En este trabajo se explicará como las propiedades de las rocas son importantes para planificar una voladura y así poder determinar los explosivos a utilizar, la cantidad de explosivos, su diseño de voladuras, etc. MARCO TEÓRICO: Conocer el comportamiento de las rocas cuando serán fragmentadas bajo el uso de explosivos no es tarea fácil. Es por esto que hasta hace épocas recientes las voladuras eran consideradas un “arte” del cual solo se adquiría el conocimiento a través de la experiencia.

Luego se fue desarrollando en un análisis detallado acerca de los parámetros que intervienen en los procesos de rotura de la roca. A partir de esto encontramos tres variables que debemos considerar:  Propiedades de la roca.  Propiedades del explosivo.  Geometría de la voladura y secuencia de iniciación. El primero de estos es el obstáculo principal para realizar una voladura óptima. Cada roca posee ciertas propiedades que son producto de su origen y de los procesos geológicos por los que ha pasado. El conjunto de estos fenómenos con el paso del tiempo es lo que crea una determinada litología en cada zona de tierra específica. Esta litología puede contener discontinuidades de la matriz rocosa, como poros y fisuras. Una voladura se puede visualizar como un sistema, en el cual el explosivo actúa y la roca reacciona. El explosivo crea un efecto entre la onda de choque y los gases de explosión el cual causa la fracturación en la roca dependiendo de las propiedades de resistencia de dicha roca. 1. Caracterización del macizo rocoso. (Propiedades) Las rocas que constituyen los macizos rocosos, en bloques monolíticos, más o menos continuos, o separados por accidentes originados por la tectónica: fallas, discontinuidades, juntas, etc. dan lugar a unas zonas concretas en los mismos, que pueden ser caracterizados por sus propiedades geomecánicas. Estas son función de su origen y de los procesos geológicos que han actuado posteriormente. Las principales propiedades que van a influir directamente sobre el diseño de un esquema de perforación y voladuras van a ser:    

Las litologías que aparecen. La naturaleza y potencia de los niveles estratigráficos. Las resistencias mecánicas de la roca. Las propiedades elásticas de la roca.

 El espaciamiento y orientación de las discontinuidades.  La apertura de las discontinuidades y la naturaleza del relleno de estas.  La aparición de agua y su circulación. La caracterización de estos entornos del macizo rocoso requiere de la realización de campañas de reconocimiento y de ensayos de laboratorio perfectamente planificados, para conseguir la máxima información, con que desarrollar los trabajos de investigación. 1.1

Litología

Los diseños de los esquemas de voladuras, en aquellas zonas donde se producen cambios Litológicos o variación de las propiedades, deben tenerse muy en cuenta, a la hora de valorar los rendimientos y objetivos a conseguir con las voladuras. Estos cambios que deben valorarse en el diseño del esquema pueden introducirse actuando sobre:  Las cargas unitarias, pero manteniendo los esquemas para los dos tipos de roca.  Variando los esquemas de perforación y voladuras, pero manteniendo las cargas unitarias en los barrenos.

Cuando se encuentran en contacto dos materiales de características resistentes muy diferentes, como pueden ser, una caliza no ripable y unas arcillas muy plásticas, si se opta por una excavación en la zona mediante un método de perforación y voladuras, tendrá lugar una gran pérdida de energía, al producirse deformaciones admisibles por los materiales más blandos. Consecuencia de todo ello es una mala fragmentación, con riesgo de no salida de todos los barrenos, sobre excavaciones y proyecciones no deseables.

1. 2 Estructura y Dominio estructural Se conoce como dominio estructural a la masa de roca delimitada por discontinuidades geológicas, dentro de la cual el macizo puede considerarse prácticamente homogéneo. La estructura es el conjunto de fallas, diaclasas, pliegues, juntas y demás características geológicas que definen una determinada región, en la que existen una serie de dominios estructurales, perfectamente diferenciados y conocidos. 1. 3 superficies de Discontinuidad Durante la génesis de las rocas, y posteriormente, por causas tectónicas aparecen las discontinuidades, que van a condicionar el comportamiento de estas en su excavación. Los tipos de discontinuidades en un macizo rocoso que pueden diferenciarse son: La estratificación, Los planos de laminación y foliación, La esquistosidad, La pizarrosidad,La red de fracturas,La red de juntas y microfisuras

2. Propiedades de las Rocas Desde muy antiguo se vienen estudiando las propiedades físicas de las rocas, en un continuo intento de determinar cuáles son los que suministran una mayor información, para el momento de elegir un

método de arranque adecuado. No existe ningún ensayo de laboratorio que pueda reproducir, ni tan siquiera de forma aproximada, el mecanismo de rotura de la roca bajo la acción de un Útil de acero. Por otra parte, las muestras de laboratorio tropiezan a la hora de su ensayo con el problema de la escala de los trabajos, y sus resultados sólo pueden ser extrapolados en determinadas condiciones. Sin embargo, la labor de realizar ensayos es imprescindible y con ello se busca obtener los valores aproximados de las propiedades fundamentales: Resistencias mecánicas, Abrasividad, Tenacidad, Dureza, Cementación, Densidad y Porosidad 2.1 Resistencia Mecánica Las resistencias de compresión y tracción son dos de las propiedades que necesariamente deben conocerse para valorar la aptitud de la roca en la voladura. Los ensayos de resiste ncia a la compresión simple son realizados sobre probetas cilíndricas, donde la relación entre su longitud y el

diámetro debe ser superior a 2 (L/D >2). (Cuadro 2.4.) resume distintas clasificaciones de las rocas, realizadas por distintos autores, en función de su resistencia a la compresión simple. 2.2 Abrasividad

Es la propiedad que caracteriza la capacidad de la roca para desgastar unos determinados materiales, utilizados como Útiles de arranque. El mineral abrasivo más abundante en las rocas es la sílice (Si02). Su contenido dentro de la roca está en relación directa con la abrasividad.También, mediante el ensayo Cerchar, recomendado por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas, es posible obtener los valores de un índice, que clasifica a los diversos tipos de roca.

2.3 Tenacidad La tenacidad de una roca es un parámetro definido a partir de la curva tensión deformación, y cuantifica la energía elástica que es necesaria para deformar la misma con un Útil de corte. Su aplicación es muy frecuente a la hora de evaluar la rozabilidad, utilizándose para ello el llamado lndice de Tenacidad, definido por:

2.4 Cementación

El grado de cementación, así como la naturaleza del cemento que contienen las rocas, influye en el desgaste de los útiles de corte. De los estudios realizados hasta el momento sobre un amplio muestrario de rocas, se ha podido deducir que:  El tipo de cementación es función de la dureza de los componentes que constituyen el cemento  El tamaño de grano de los componentes de cuarzo de las arenas, limos y arcillas afecta la resistencia de la unión.  El grado de cementación y las variaciones con la porosidad de una determinada roca, se constituye en un parámetro de especial significado. 2.5 Densidad En términos cualitativos, las rocas de baja densidad se deforman y rompen con una mayor facilidad que las rocas más densas, precisando éstas de una mayor cantidad de energía para lograr la fragmentación deseada.Dependiendo de si el valor de la densidad de la roca es alto o no, deberán elegirse: el diámetro de perforación, las condiciones de retacado, la malla de perforación, la secuencia de encendido y el tipo de explosivo. 2.6 Porosidad La existencia de huecos en el seno de la matriz rocosa genera una fragilidad en la roca, y en ésta es posible distinguir dos tipos de porosidad: A. lntergranular o de formación: La porosidad intergranular, cuya distribución puede considerarse uniforme, provoca dos efectos:  La atenuación de la energía de la onda de choque generada por el explosivo.  Una reducción de la resistencia dinámica a la compresión, y consecuentemente, un aumento de los tamaños granulométricos. B. Por disolución o post-formación; La porosidad de post-formación, está originada por los huecos que resultan de la disolución de los materiales por las aguas subterráneas. La aparición de estas cavidades dentro de las rocas es siempre de tipo errático.

En las rocas de origen volcánico es frecuente encontrar una alta porosidad, formada durante su enfriamiento. La presencia de estas cavidades, o la posibilidad de encontrarlas en terrenos proclives a ellas, deben tenerse muy en cuenta, dadas las dificultades que se presentan en la perforación de los barrenos, con la posibilidad de atranques y pérdidas de varillaje. La carga del explosivo, en estos casos, debe llevarse a cabo con sumo cuidado, o el riesgo de pérdida del explosivo, y su no detonación con la voladura. 3.Características geológicas que se deben tomar en cuenta antes de una voladura 3.1 Frecuencia y orientación de fracturas Esta es una característica importante que debe ser evaluada antes de llevar a cabo una voladura. Al tener el conocimiento de la frecuencia y orientación de fracturas que pueden llevarse a cabo en la zona a ser volada se podrá saber con anticipación la dirección en la que el material puede salir disparado al realizar la explosión; saber el tipo de deslizamiento que puede tener la roca, ya sea un movimiento perpendicular, paralelo a la superficie o paralelo al borde o margen. 3.2 Presencia de Agua en el Macizo Rocoso Las rocas porosas y los macizos intensamente fracturados cuando

se encuentran saturados de agua presentan habitualmente ciertos problemas:  Necesidad de seleccionar explosivos no alterables por el agua.  Perdida de barrenos por hundimientos internos y consecuentemente: Dificultades en la perforación inclinada. Por otro lado, el agua afecta a las rocas y a los macizos rocosos en los siguientes aspectos: a) Aumenta la velocidad de propagación de las ondas elásticas. b) Reduce la resistencia de las rocas a compresión y a tracción (Obert,Y Duva1, 1967) al ser menor la fricción entre partículas. c) Reduce la atenuación de la onda de tensión y por ello, ·se intensifican los efectos de rotura por Et (Ash, 1968). d) Las juntas llenas de agua permiten el paso de las ondas de e) tensión sin que se produzca un descostramiento interno. Pero cuando el macizo entra en tensión esa agua se moviliza ejerciendo un efecto de cufia que puede llegar a producir una gran sobre excavación.

BIBLIOGRAFIA D. José Luis Sanz Contreras,D. Jesús Santamaría Arias. “Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carretera”, Ministerio de Obras Públicas y Transporte (MOPT), Caracterización del macizo rocoso.

Luis Ayala. “Geología en el uso de Explosivos”, publicado en 2019