Voladura Controlada en Minería Subterránea

CURSO: DESARROLLO PERSONAL TEMA: Voladura controlada Ing. Carlos Yungo Suero

1

CAPACIDAD • Conoce las técnicas y consideraciones de diseño de perforación en Minería Subterránea y Superficial. • Conoce los cálculos para diseñar una malla de perforación. Control de costos unitarios.

LOGRO DE LA SESIÓN • Conoce el proceso de voladura en el método subterráneo de mina. Calcula las cargas y diseños de salidas, etc.

CONTENIDOS A TRATAR • Voladura controlada • Formulas y caso practico

EFECTO DE SOBRECARGA EXPLOSIVA EJEMPLO DE LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO EN UN TRAMO DE TÚNEL CON SOBRE EXCAVACIÓN

PERFILADO POR SECCIONES

DELIMITACIÓN DE LA EXCAVACIÓN REAL

INSTRUMENTO PARA MEDIR LOS PERFILES PERIMÉTRICOS EN CADA SECCIÓN, SIGUIENDO EL EJE DEL TÚNEL PARA APLICAR EN AUTOCAD.

FIGURA TRIDIMENSIONAL EN AUTOCAD

Sección Usual sin voladura controlada Sección de Diseño Excavación con sobrerotura (18%)

Excavación de prueba con voladura controlada

Mediciones en UP Cabana Galería 9680-S Nv 3580

TRAZOS DE VOLADURA EMPLEADOS VOLADURA CONVENCIONAL Malla de Perforacion en UP Cabana LA3125 CORONA Gal 9680 EN S Nv

VOLADURA CONTROLADA EN LA CORONA 1 ms 1 ms 1 ms

Voladura en la corona Tipo Recorte

1 ms 1 ms 1 ms 1 ms

RESULTADOS DE LA EXCAVACIÓN CON VOLADURA CONTROLADA EJEMPLO:

EXCAVACIÓN CONTROLADA

EXCAVACIÓN ORIGINAL

INFLUENCIA DE LA ESTRUCTURA DE LA ROCA

Efectos del diaclasamiento de la roca en la voladura convencional de túneles y galerías de minas Por grado de fisuramiento

Apretado

Por estratificación o bandeamiento

Inclinado

Inestabilidad con caída de cuñas o bancos

Inestabilidad por presión lateral

Abierto

Horizontal

Estabilidad por mayor amarre

Inestabilidad por tensión: Desplome de planchones

Además de la influencia de la estructura geológica sobre el perfil final de las excavaciones, existen factores que provocan sobreexcavación y caída de rocas Mal dimensionado de las áreas a excavar. Voladura sobrecargada. Diseño de malla inapropiada a la condición de la roca. Inapropiada selección del explosivo, según el tipo y condición de la roca.

Resultado con Voladura Convencional Área de daño después del disparo

Aproximadamente 1,5 m de influencia de deterioro

Consecuencias de la voladura irregular Fragmentación irregular : Excavabilidad y acarreo lentos (ciclo de carga deficiente). Bolonería excesiva

: Voladura secundaria (riesgo y costo negativo).

Dilución del mineral

: Pérdida de valor económico.

Sobre excavación

: Sostenimiento adicional (elementos e instalación).

Medidas de solución Empleo de Voladura Controlada o Amortiguada:

Principio: Reducción del factor de acoplamiento perimetral para limitar la sobrerotura y costos de sostenimiento posterior al disparo. Condiciones: Empleo de cargas explosivas lineares de baja energía. Taladros muy cercanos entre sí, de acuerdo a la condición del terreno y al perfil que se desea obtener. Disparo simultáneo de todos los taladros para crear una grieta o plano de rotura continuo.

Resultados con Voladura Controlada Estabilidad después del disparo

Influencia de deterioro entre 0,20 y 0,50 m

Teoría del método En voladura convencional el taladro rompe por impacto y fisuramiento radial. Por lo contrario, en voladura controlada se debe eliminar la rotura radial, a favor de una rotura planar.

Para ello, dos o más cargas cercanas se disparan simultáneamente, produciendo una grieta de tensión que determina un plano de corte. En este plano se infiltran los gases de explosión con efecto de cuña, expandiendo la ruptura de taladro a taladro hasta provocar el corte planar periférico. La gravedad desprende el material.

R o c a

e s t a b i l i z a d a

Taladro

Taladro Zona de tensión

Zona de tensión

E x c a v a c i ó n

C a r a

L i b r e

Diferencias entre Voladura Convencional y Voladura Controlada Espaciamiento - Burden: E = (1,3 a 1,5) B.

Espaciamiento menor que burden: E = (0,5 a 0,8) B.

Máximo acoplamiento del explosivo (taqueo).

Explosivo desacoplado (sin taquear).

Columna explosiva: 2/3 del taladro.

Columna explosiva lineal distribuida a todo el largo.

Taco inerte compactado.

Taco inerte sin compactar.

Explosivo de alta velocidad y brisance.

Explosivo de baja velocidad y brisance.

Disparo secuencial de todos los taladros.

Disparo simultáneo de todos los taladros.

Ventajas Produce superficies de roca lisas y estables, reduce la vibración y disminuye el agrietamiento en la roca remanente.

Es una alternativa para la explotación de estructuras débiles e inestables.

Desventajas Costo relativamente mayor que la voladura convencional por el mayor tiempo de preparación en perforación y carguío.

En material detrítico incompetente o deleznable puede no llegar a dar buen resultado.

Consideraciones Importantes La precisión de la perforación es fundamental, tanto por el alineamiento como por el paralelismo de los taladros. Se requiere un cebo al fondo para asegurar la iniciación de la columna desacoplada. El espaciamiento entre taladros en una voladura controlada depende del tipo de roca y diámetro de la perforación. Por lo general es la mitad del espaciamiento convencional o menos.

Control de Carga Lineal Ejemplo: para taladros de contorno con diámetros de perforación entre 32 y 51 mm se recomienda la siguiente tabla práctica:

Diámetro de taladro (mm)

Diámetro de explosivo (mm)

Carga lineal (kg/m)

Espaciamiento

Burden

(m)

(m)

32

17

0,220

0,40 a 0,60

0,55 a 0,75

51

25

0,500

0,65 a 0,90

0,80 a 1,20

Esquema de carga para Voladura Controlada 1. Explosivo de baja potencia (Exadit) de pequeño diámetro en columna continua, sin atacar. Cartuchos de Exadit

Sección del taladro:

Cebo

Esquema de carga para Voladura Controlada Cartuchos de dinamita espaciada con material inerte o aire libre y con cordón detonante opcional para asegurar la iniciación. Taco inerte

Espaciadores inertes

Sección del taladro:

Cebo

Cordón detonante

Esquema de carga para Voladura Controlada 3. Cartuchos espaciados a distancias variables con cordón detonante sobre una media caña para facilitar el carguío.

Taco inerte

Espacios vacíos

Sección del taladro:

Media caña o Carrizo cortado

Cebo

Esquema de carga para Voladura Controlada 4. Taladro con Exsacorte en tubos rígidos acoplables, centrados en el taladro de mayor diámetro mediante plumas o rosetas.

Taco inerte

Exsacorte

Cebo

Sección del taladro:

Esquema de carga para Voladura Controlada Taladro con EXAMON, EXEL cebado con dinamita, el Anfo es cargado con cordon detonante.

Taco inerte

Sección del taladro:

Cebo

DISTRIBUCIÓN DE LOS TALADROS EN LA CORONA 1. Taladros continuos 2. Taladros alternados con y sin carga. 3. Taladros continuos sin carga

: E = 0.5 B ó menos. : Emáx = 3f taladro.

EVALUACIÓN DE RESULTADOS EN LA VOLADURA CONTROLADA

Perfil de excavación

Falla

Motivo

• Ninguna.

• Ninguna.

Solución • Ninguna.

Perfil de excavación

Falla

• Sobreexcavación general.

Motivo

Solución • Disminuir carga. • Sobrecarga. • Aumentar el espaciado. • Fila anterior de • Distanciar fila anterior. taladros • Aumentar tiempo de sobrecargados. retardo entre filas de voladura primaria.

Perfil De excavación

Falla • Sobreexcavación alrededor de los taladros.

Motivo

Solución • La presión de tala- • Disminuir la densidad lineal de dro es superior a la resistencia diná- carga y aumentar el mica a compresión desacoplado. de la roca.

Vista que muestra el daño que sufren las paredes de los taladros y el efecto de perturbación del entorno.

Sobre excavación alrededor del taladro.

Perfil De excavación

Falla

• Roca sobresaliente entre los taladros.

Motivo

• Espaciado excesivo entre taladros.

Solución

• Reducir el espaciado entre taladros. • Aumentar ligeramente la carga.

Carguío de frente con el uso de explosivos muy potentes con espaciadores

Acercamiento del carguío de las alzas

Taco Inerte

Espaciador

Cebo

Alternativa de Carguío

3,35 m Taco inerte

0,70 m

Cartuchos de Exadit

Espaciador

2,60 m

Cebo

Esquema de Carguío

3,35 m Cuello sin cargar

Carga de columna

2,35 m

Carga sólo al fondo

1,00 m

Cebo

Vista que muestra el daño en la roca ocasionado por la concentración de la masa explosiva en el fondo del taladro.

Alternativas de carguío para solución de problemas Taco inerte

Cartuchos de dinamita Exadit cargados en forma continua

Taco inerte

Cartuchos de Exadit

Espaciador

Cebo

Cebo

Vista que muestra la caña del taladro, producto de una voladura donde la masa explosiva fue bien distribuida.

RESULTADOS EN REALCES

1.

Taladros verticales

Cebo

Columna explosiva

Taco

2.

Resultado del disparo

Cebo

Columna explosiva

Taco

1.

Solución: Inclinación de taladros a 65°

2.

Resultado: Superficies más lisas y estables

Zona de fragmentación menuda por la concentración de la masa explosiva por cargas muy al fondo

Zona de bancos por la falta de masa explosiva EJEMPLO CON CARGA REDUCIDA

Energía El factor de potencia indica solo la cantidad de explosivo por m3 ó tonelada de roca. Complementariamente se usa el factor de energía para indicar la fuerza aplicada a la roca. Esta energía se calcula mediante las leyes de termodinámica y en el caso de los explosivos se orienta hacia los efectos de expansión de los gases. Generalmente, para cada explosivo se expresa en cal/g o cal/cm3; en base a un patrón.

Para utilizar eficientemente los explosivos, la energía contenida en cada uno de los taladros deberá ser cuantificada y distribuida adecuadamente. Esto en especial para Voladura Controlada.

Energía En voladura convencional se emplea una pequeña carga explosiva en relación al peso o volumen de la roca que será volada. El explosivo puede superar esta diferencia al transformarme en un gran volumen de gases a alta temperatura y presión en una fracción de segundo. La violenta expansión de estos gases produce, además, una onda compresiva que se refracta en la cara libre retornado hacia el taladro como ondas de tensión que fracturan la roca a su paso. Esto se define como impacto de la presión de detonación.

Estos gases también producen el desmembramiento y desplazamiento de la roca con la presión de expansión.

DETERMINACIÓN DE ENERGÍA DE EXPLOSIVOS Influencia del entorno de la roca para un taladro de  = 45 mm

ANFO ( = 45 mm)

Exadit ( = 22 mm)

1m Semexsa ( = 22 mm)

Emulsión ( = 22 mm)

Alcance de deterioro por la onda compresiva

EJEMPLO DE SELECCIÓN DE EXPLOSIVO PARA VOLADURA CONTROLADA

Presión del Taladro Se sabe que la presión del taladro es la que actúa directamente en las paredes de ésta y por ello la selección del explosivo adecuado está directamente relacionada a dicha presión.

Según estudios realizados esta presión la podemos hallar con la siguiente fórmula: Pt =

ρE x (VOD)2 x 10-3

8 Pt : ρE : VOD :

presión de taladro, en MPa densidad del explosivo, en g/cm3 velocidad de detonación, en m/s

Presión del Taladro Desacoplando el taladro esta presión disminuye en relación a los radios de taladro y explosivo y la podemos obtener de: Pt =

ρE x (VOD)2 x 10-3 x (re/rt)2,6

8 Pt ρE VOD re rt

: : : : :

presión de taladro, en MPa densidad del explosivo, en g/cm3 velocidad de detonación, en m/s radio del cartucho explosivo, en cm radio del taladro, en cm

Presión del Taladro Si al taladro desacoplado le colocamos espaciadores de la misma longitud de los cartuchos y cordón detonante en forma axial al taladro, esta presión disminuye aún más: Pt =

ρE x (VOD)2 x 10-3 x [(re/rt) x (C)]2,6 8

Pt ρE VOD re rt C

: : : : : :

presión de taladro, en MPa densidad del explosivo, en g/cm3 velocidad de detonación, en m/s radio del cartucho explosivo, en cm radio del taladro, en cm proporción longitudinal de la masa explosiva en el taladro (siendo 1,0 la longitud total del taladro)

Presión del Taladro de Algunos Explosivos Para hallar las siguientes presiones tomaremos como referencia un diámetro de taladro de 45 mm, espaciadores de igual longitud que los cartuchos (por lo tanto C = 0,5) y los siguientes productos explosivos: Gelatina Especial 90 y 75

Semexsa 80, 65 y 45 Exadit 65 y 45 Examon – P Solanfo

Energía de los Explosivos en MPa Tipo de explosivo

Dimensión del explosivo

Carga continua

Carga desacoplada

Carga desacoplada y espaciada

Gelatina Especial 90

1 1/2” x 8”

6 390,00

4 117,05

1 672,04

Gelatina Especial 90

7/8” x 8”

6 390,00

994,14

403,75

Gelatina Especial 75

1 1/2” x 8”

5 218,13

3 362,01

1 365,40

Gelatina Especial 75

7/8” x 8”

5 218,13

811,82

329,79

Energía de los Explosivos en MPa Tipo de explosivo

Dimensión del explosivo

Carga continua

Carga desacoplada

Carga desacoplada y espaciada

Semexsa 80

1 1/2” x 8”

2 986,88

1 924,43

781,56

Semexsa 80

7/8” x 8”

2 986,88

464,69

188,72

Semexsa 65

1 1/2” x 8”

2 469,60

1 591,15

646,21

Semexsa 65

7/8” x 8”

2 469,60

384,21

156,04

Energía de los Explosivos en MPa Tipo de explosivo

Dimensión del explosivo

Carga continua

Carga desacoplada

Carga desacoplada y espaciada

Semexsa 45

1 1/2” x 8”

1 949,40

1 255,99

510,09

Semexsa 45

7/8” x 8”

1 949,40

303,28

123,17

Exadit 65

1 1/2” x 8”

1 701,00

1 095,55

445,09

Exadit 65

7/8” x 8”

1 701,00

646,64

107,48

Energía de los Explosivos en MPa Tipo de explosivo

Dimensión del explosivo

Carga continua

Carga desacoplada

Carga desacoplada y espaciada

Exadit 45

1 1/2” x 8”

1 445,00

931,01

378,11

Exadit 45

7/8” x 8”

1 445,00

224,81

91,30

Examon – P

-----

1 226,00

200,57

-----

Solanfo

-----

1 068,65

176,28

-----

Espaciamiento entre Taladros de Contorno Una forma sencilla de hallar el espaciamiento entre taladro para realizar una Voladura Controlada es: E

≤

16 x rt x (Pt + T) x 10-2 T

E rt Pt T

: : : :

espaciamiento entre taladros, en cm radio del taladro, en mm Presión del taladro, en MPa Resistencia a la tensión, en MPa

Ejemplos Prácticos

Ejemplo 1 Datos de la roca:

Esfuerzo a la Compresión:

300 MPa

Esfuerzo a la Tensión:

30 MPa

Diámetro de taladro:

45 mm

Datos del explosivo: Tipo de explosivo:

Semexsa 45 (1 1/2 ” x 8”)

Densidad:

1,08 g/cm3

Velocidad de detonación:

3 800 m/s

Cálculo de la Presión del Taladro Presión del taladro:

1 255 MPa

1 255 MPa > 300 MPa Disminuyendo el diámetro del cartucho a 1” x 8”. La presión del taladro disminuye a:

422,86 MPa

422,86 MPa > 300 MPa Disminuyendo aún más el diámetro del cartucho a 7/8” x 8”. La presión del taladro disminuye a: 303,28 MPa > 300 MPa

Cálculo del Espaciamiento entre Taladros El espaciamiento obtenido sería de: E ≤ 40 cm Conclusión: Para una roca con 300 MPa de esfuerzo a la compresión, 30 MPa de esfuerzo a la tracción necesitamos:

Semexsa 45 de dimensión 7/8” x 8” con espaciadores de igual longitud que los cartuchos y el espaciamiento entre taladros de 40 cm en todo el contorno.

Ejemplo 2 Datos de la roca:

Esfuerzo a la Compresión:

150 MPa

Esfuerzo a la Tensión:

15 MPa

Diámetro de taladro:

38 mm

Datos del explosivo: Tipo de explosivo:

Exadit 65 (1” x 8”)

Densidad:

1,05 g/cm3

Velocidad de detonación:

3 600 m/s

Cálculo de la Presión del Taladro Presión del taladro:

572,68 MPa

572,68 MPa > 150 MPa

Desacoplando más el taladro, con un diámetro de cartucho de 7/8” x 8”. La presión del taladro disminuye a:

410,74 MPa

410,74 MPa > 150 MPa Espaciando los cartuchos, obtenemos:

Cálculo de la Presión del Taladro Presión del taladro: 166,81 MPa > 150 MPa

166,81 MPa

Alternativa 1 Cálculo del Espaciamiento entre Taladros El espaciamiento obtenido sería de: E ≤ 37 cm Conclusión 1: Para una roca con 150 MPa de esfuerzo a la compresión, 15 MPa de esfuerzo a la tracción necesitamos: Exadit 65 de dimensión 7/8” x 8” con espaciadores de igual longitud que los cartuchos y el espaciamiento entre taladros de 37 cm en todo el contorno.

Alternativa 2 Cálculo de la Presión del Taladro Datos del explosivo: Tipo de explosivo:

Exadit 45 (1” x 8”)

Densidad:

1,00 g/cm3

Velocidad de detonación:

3 400 m/s

Presión del taladro:

486,49 MPa

486,49 MPa > 150 MPa

Cálculo de la Presión del Taladro Disminuyendo el diámetro del cartucho a 7/8” x 8”. La presión del taladro disminuye a:

348,92 MPa

348,92 MPa > 150 MPa Espaciando los cartuchos, obtenemos: 141,71 MPa 141,71 MPa < 150 MPa

Cálculo del Espaciamiento entre Taladros El espaciamiento obtenido sería de: E ≤ 32 cm Conclusión 2: Para una roca con 150 MPa de esfuerzo a la compresión, 15 MPa de esfuerzo a la tracción necesitamos: Exadit 45 de dimensión 7/8” x 8” con espaciadores de igual longitud que los cartuchos y el espaciamiento entre taladros de 32 cm en todo el contorno.

¡HASTA LA PRÓXIMA CLASE!