Voladura de rocas 2014 - Parte I.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO Facultad de Ingeniería de Minas

CURSO: PERFORACIÓN Y VOLADURA DE ROCAS PARTE I

FUNDAMENTOS DE LA VOLADURA DE ROCAS

Dr. Alfredo Cámac Torres 2014

VOLADURA DE ROCAS PARTE III

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

FUNDAMENTO

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.

PROCESOS DE DETONACIÓN DE UNA CARGA EXPLOSIVA ONDA COMPRESIVA ROCA NO ALTERADA

DIRECCIÓN DE AVANCE DE LA DETONACIÓN

FC ROCA COMPRIMIDA ONDA DE REFLEXIÓN

PCJ

ROCA NO ALTERADA

ZR: Zona de reacción FC: Frente de choque

ENSANCHAMIENTO DEL TALADRO

ZR

PCJ: Plano de Chapman Jouget

CAIDA DE PRESIÓN INICIAL

ONDA COMPRESIVA

ONDA DE REFLEXIÓN Y GASES EN EXPANSIÓN

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.Secund 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

Medio plástico Medio elástico Medio elástico-plástico

Terreno no consolidado o no cohesivo Terreno consolidado o cohesivo

MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS 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). 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 nucleación de fracturas en fallas y discontinuidades.

TEORÍA DE LA FRAGMENTACIÓN DE ROCAS CONDICIONES

TEORÍA:

•Medio elástico •Anisotrópico

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

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

1. COLUMNA EXPLOSIVA BURDEN TACO INERTE

CARGA EXPLOSIVA CONFINADA

INICIADOR BOOSTER

TALADRO

CARA LIBRE

SOBREPERFORACIÓN

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

2. PROPAGACIÓN DE LA ONDA COMPRESIVAS

LAS ONDAS O FUERZAS DE COMPRESIÓN GENERADAS EN EL TALADRO VIAJAN HACIA LA CARA LIBRE

LAS ONDAS QUE ESCAPAN PRODUCEN CONCUSIÓN Y ONDAS SÍSMICAS

ONDAS SISMICAS

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

Los gases a alta presión se expanden rápidamente penetrando en las grietas de tensión iniciando la rotura radial y el desplazamiento de la roca

Rotura adicional por descostre

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

MECANISMO DE ROTURA CON CARGAS CILÍNDRICAS

ESQUEMA DE AGRIETAMIENTO RADIAL DE LA ROCA

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.

Fracturas paralelas

Grietas radiales

Roca pulverizada

Zona de fracturación radial Taladro

MECANISMOS DE ROTURA (Vista de planta) CARA LIBRE

FASE I

ONDAS DE CHOQUE

BURDEN

TALADROS ESPACIAMIENTO

MECANISMOS DE ROTURA (Vista de planta)

FASE II TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO

CARA LIBRE

ONDAS DE CHOQUE REFLEJADAS

ZONA DE AGRIETAMIENTO RADIAL

ANILLO DE ROCA PULVERIZADA

MECANISMOS DE ROTURA (Vista de planta)

FASE III PROYECCIÓN DE ROCA

ONDAS DE CHOQUE REFLEJADAS

EXTENSIÓN DE LAS GRIETAS RADIALES POR LA EXPANSIÓN DE LOS GASSES

CARA LIBRE

MECANISMOS DE ROTURA (Vista de planta)

FASE IV PROYECCIÓN DE ROCA

SECUENCIA DEL PROCESO DE FRAGMENTACIÓN DE ROCAS

MECANISMO DE ROTURA CON CARGAS ESFÉRICAS

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

c Zona Afectada

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

Zona de Ruptura Cráter Real

Columna de carga

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

1. TALADRO CON CARGA ESFÉRICA

TACO INERTE

LÍMITE DE ROTURA COLUMNA EXPLOSIVA BOOSTER

MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON UNA CARA LIBRE Y CARGA ESFÉRICA - CRÁTER 2. DETONACIÓN

ONDAS DE TENSIÓN, SÓLO EN LA CARA LIBRE SUPERFICIAL

ONDAS DE COMPRESIÓN

ONDAS DE COMPRESI QUE SE DISIPAN COMO ONDAS SÍSMICA

INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS

INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS 1. ESPACIAMIENTO ADECUADO

TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO

CARA LIBRE

ONDAS DE CHOQUE COMPRESIVAS ONDAS DE CHOQUE REFLEJADAS

ZONA DE AGRIETAMIENTO RADIAL

ESPACIAMIENTO

ANILLO DE ROCA PULVERIZADA

INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS 2. ESPACIAMIENTO MUY CORTO (PROYECCIÓN EXCESIVA) TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO

CARA LIBRE

INFLUENCIA ENTRE TALADROS

SOBREROTURA

ESPACIAMIENTO ANILLO DE ROCA PULVERIZADA

INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS 3. ESPACIAMIENTO MUY AMPLIO (LOS TALADROS SE SOPLAN) CARA LIBRE

ESPACIAMIENTO

ANILLO DE ROCA PULVERIZADA

TRANSMISIÓN ONDA DE CHOQUE EN UN MEDIO ROCOSO

2 x PoD PTm  1 n PTm=Presión transmitida max (Kpa) n =Relación impedancia explo-roca

e x VoD 2 PoD  4 PoD=Presión de detonación (Kpa) δe =Densidad del explosivo (g/cc) VoD=Veloc. de detonación

e x VoD n r x VC VC=Vel. Propagación enn roca (m/seg) δr =Densidad de l roca (g/cc) VoD=Veloc. de detonación

r   i  PB x  b   DS 

x

σi=Tensión radial de compresión PB=Presión en la pared del taladro rb =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

SECUENCIA DE VOLADURA EN UN BANCO

ONDAS COMPRESIVAS

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 Esquema de la influencia de las discontinuidades alrededor de un taladro.

+ Agrietamiento Idealizado

= Sistema de Discontinuidades

Fragmentación por Voladura

RADIO DE INFLUENCIA DE UNA DETONACIÓN

SIN TACO

CON TACO

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 • Precio

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 usar.

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

Nomenclatura de un banco sobre perforación y voladura

Modelo de optimización determinista PROPIEDADES DE

PROPIEDADES DE

INFORMACION DE

DATOS ECONOM.

ROCAS Y MACIZOS

LOS EXPLOSIVOS

EQUIPOS DE PERF.,

PRECIOS EXPLOS.,

CARGA Y TRANSP.

ACCESORIOS

ROCOSOS

BASE DE DATOS

DISEÑO DE ESQUEMAS DE PERFORACION Y CARGAS

MODELO DE PREDICCION DE LA FRAGMENTACION

MODIFICACION PARAMETROS DE CALCULO

FRAGMENTACION MEDIA

SIMULACION DE LAS OPERACIONES DE CARGA, TRANSP., CHANCADO

ANALISIS SENSIBILIDAD

Si

VOLADURA OPTIMA ?

No

AJUSTE DEL MODELO DE PREDICCION Y DATOS DE PARTIDA

EVALUACION FRAGMENTACION REAL

No FRAGMENTACION TEORICA

=

FRAGMENTACION REAL

?

INFORMES Si

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

EVENTOS O PERÍODOS BÁSICOS EN EL PROCESO DE FRAGMENTACIÓN 1. DETONACIÓN 2. PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS DE CHOQUE 3. EXPANSIÓN DE LOS GASES 4. DESPLAZAMIENTO DEL MATERIAL

CLASIFICACIÓN GENERALIZADA DE ROCAS PARA VOLADURA TENACES

INTERMEDIAS

FRIABLES

Gneiss Granito-Gabro Aplita Sienita-Monzonita Diorita-Garnodiorita

Riolita Andesita Dacita Traquita Fonolita

Rocas alteradas varias Serpentina Yeso-Anhidrita Pizarra-Filita Lutita-Arcilla compacta

Basalto – dolerita

Obsidiana (vidrio volcánico) Toba y brecha volcánica Arenisca cementada Pizarra metamórfica Caliza – dolomita

Conglomerado y brecha no compactada

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, plomo, zinc y estaño

Suelos compactos

Norita Caliza silicificada Cuarcita – chert Hematina silícea – hornfeld

Carbón – antracita Marga Caliza ligera Travertino

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