Diseño Y Evaluación De Voladuras Para Minas A Tajo Abierto Y Canteras.docx 3x4816
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Diseño y evaluación de voladuras para minas a tajo abierto y canteras (Nivel de Texto) General (Ver Resumen de los puntos principales) Las explotaciones mineras a tajo abierto y las operaciones realizadas en canteras normalmente requieren del uso de voladuras para preparar la roca para la excavación. Sin embargo, a medida que las áreas urbanas se expanden y las explotaciones mineras se hacen más profundas, aumentan las limitaciones para realizar voladuras, lo que ha provocado un aumento en la demanda de personal con buena formación y experiencia en el diseño y la ejecución de voladuras. Una voladura puede ser segura si se adoptan las medidas de precaución y seguridad adecuadas. Además, la eficiencia de costos de una voladura es a menudo mayor que la de los métodos mecánicos, tales como el arranque realizado por un buldócer o la remoción de rocas con martillos hidráulicos. No obstante, las voladuras tienen que diseñarse e implementarse de una forma tal que permitan minimizar:
los riesgos de daños en las estructuras adyacentes y
las molestias a las personas que viven y/o trabajan cerca del área afectada por la detonación Este curso describe los métodos de voladura de roca y la forma cómo se los puede utilizar de una manera segura y rentable. El curso aborda los siguientes temas:
Tipos de explosivos
Iniciadores y sistemas de inicio
Mecanismos de fragmentación de rocas mediante explosivos
Fundamentos de la voladura de bancos de producción
Técnicas de voladura para crear taludes de roca estables
Prevención de daños derivados de la vibración del suelo, la explosión acústica y el material proyectado al aire
Procedimientos de seguridad
También se ha incluido una lista de referencias (a partir de la cual se pueden obtener más detalles sobre los productos y las técnicas descritas en este manual) y un glosario de términos relacionados con voladuras y excavaciones.
Aplicaciones de voladuras en la minería a tajo abierto y la explotación de canteras (Ver Resumen de los puntos principales) A continuación presentamos una descripción breve de algunos tipos de voladura comúnmente usados en las minas a tajo abierto y en las canteras: Voladuras de bancos de producción Este es el tipo de voladura más común. Su objetivo es fragmentar y aflojar la roca que se está preparando para su excavación por medio de cargadores frontales, palas mecánicas, dragalinas o buldóceres. El grado de preparación o acondicionamiento de la roca que se realizará mediante la voladura dependerá de las características de la masa de roca y, además, del tipo, el tamaño y el modo de operación de los equipos excavadores. Voladuras de control de paredes Estas voladuras se diseñan con el objeto de fragmentar la roca cerca o hasta el último tajo o cantera, provocando el menor daño a la roca que se encuentra más allá de este límite. Para lograr esto se utiliza una serie de técnicas que incluyen: la perforación en línea , el precorte , la voladura controlada , la voladura suave y la voladura amortiguada . Voladuras de gran proyección En muchas minas de carbón de superficie hay un incentivo económico para mover parte importante del material que está sobre el yacimiento a su posición final mediante una voladura. Las voladuras de gran proyección se diseñan de una manera tal que permitan maximizar el movimiento horizontal de la roca en la dirección deseada. Voladuras de hundimiento
Estas voladuras representan, por lo general, la primera voladura que se realiza en un banco nuevo, en el cual no existe un frente vertical libre. Están diseñadas para romper y aflojar el volumen de roca usando la superficie como único frente libre. Aquí se excava una rampa a través de la pila de roca volada hasta el piso del nuevo banco y se establece un frente libre.
Métodos de fragmentación de rocas sin uso de explosivos (Ver Resumen de los puntos principales) Existen algunas circunstancias en las cuales habría que utilizar métodos de fragmentación de rocas sin uso de explosivos. Este es el caso de emplazamientos en los cuales hay equipos o estructuras ubicadas a corta distancia que son extremadamente sensibles a las vibraciones o también el caso de áreas con rocas blandas en las cuales el método de arranque resulta más económico que una voladura. A continuación se describirán brevemente algunos métodos de fragmentación de roca sin uso de explosivos. Arranque Las rocas blandas a menudo pueden fragmentarse por arranque por medio de una excavadora o mediante un buldócer, en el caso de las rocas duras. El criterio más utilizado para determinar si se puede realizar un arranque y seleccionar los equipos adecuados es la velocidad sísmica de la roca. El “Caterpillar Equipment Handbook” entrega información sobre velocidades sísmicas y los equipos de arranque requeridos. En la roca blanda, la ventaja del arranque en comparación con la voladura radica en que puede efectuarse con una tolerancia mínima y, prácticamente, no se ocasiona daños a la roca que está en los bordes de la excavación. Además, el arranque también puede efectuarse después de que ha anochecido. Corte hidráulico En excavaciones pequeñas realizadas en rocas frágiles puede utilizarse un partidor hidráulico o una cuña hidráulica para crear una fractura por tensión entre perforaciones ubicadas muy cerca entre sí. Este es un
método lento, pero con un elevado nivel de control de la fragmentación de la roca. Se utiliza principalmente para fragmentaciones concretas, en las canteras de piedra dimensionada o en áreas con cimientos que soportan una gran carga, en los cuales un sobrequiebre generado por la voladura reduciría la resistencia de la roca. Martillos hidráulicos Los martillos hidráulicos, frecuentemente montados sobre la pluma retroexcavadora, se pueden usar para fracturar tanto rocas blandas como duras. Este método de fragmentación de rocas puede controlarse detenidamente y es utilizado, algunas veces, en conjunto con el arranque en aquellos lugares donde hay lentes de roca dura. La desventaja de este equipo es que resulta ruidoso y no es efectivo en capas de roca muy duras, con pocas grietas o discontinuidades. Químicos Otro producto disponible en el mercado es un compuesto similar al cemento que se expande cuando se lo mezcla con agua. Cuando se coloca este material en una serie de perforaciones ubicadas muy cerca entre sí, la presión generada por la expansión resulta suficiente para fragmentar la roca. Si bien éste es un método de fragmentación de roca con un elevado nivel de control, tiene la desventaja de que el material es costoso y el proceso de expansión demora entre 10 a 20 horas.
Contexto (Ver Resumen de los puntos principales) La interacción entre el explosivo y la masa de roca contigua durante e inmediatamente después de la detonación es una función de las propiedades de la detonación del explosivo y las propiedades físico dinámicas de la masa de roca adyacente. Las teorías de fragmentación de roca y los mecanismos de formación de la pila de roca volada tienen su fundamento en la interacción del explosivo detonante y la roca contigua. Una comprensión del mecanismo de
fragmentación de roca por medio de explosivos permite al diseñador de voladuras fragmentar la masa de roca de una forma más económica y minimizar el daño causado por la misma más allá del perímetro de excavación. Los mecanismos mediante los cuales los explosivos fragmentan la roca resultan fundamentales para el diseño de los patrones de voladura. Además, están relacionados con los daños que puede sufrir la roca y las estructuras contiguas y con las reacciones de las personas que viven en las inmediaciones de una voladura.
Teorías de la fragmentación de rocas (Ver Resumen de los puntos principales) Existen varias teorías y modelos que intentan describir el proceso que ocurre durante y después de la detonación de una carga explosiva en una masa de roca. En términos generales, este proceso involucra la liberación rápida de energía mediante el explosivo, la aplicación de la energía a la roca y la consecuente respuesta de la roca a la aplicación de la energía. No obstante, el proceso se complica por factores tales como la velocidad, el tipo y la cantidad de energía liberada por el explosivo, el diseño de la voladura y las propiedades de la masa de roca. Los mecanismos de fragmentación de rocas que han identificado (Hagan (1967), Hagan (1973) y Mercer (1980)) son:
La trituración
El movimiento radial relativo
La liberación de carga
El desprendimiento
La extensión de las grietas generadas por la onda de compresión y/o las grietas naturales provocada por el gas
La ruptura por flexión
La fractura de corte a lo largo de las grietas naturales y las grietas generadas por la onda de compresión
El choque en vuelo Estos mecanismos provocan un grado de fragmentación variable que dependerá de las características del explosivo, las propiedades de la roca, la geometría de la masa de roca y la carga explosiva. Los mecanismos pueden dividirse en dos categorías: aquellos causados por el componente de choque de la energía producida por el explosivo y los que derivan de la energía del gas (Brown (1956)).
Mecanismos de fragmentación por energía de choque (Ver Resumen de los puntos principales) Cuando se detona un explosivo, este se convierte dentro de unas pocas milésimas de segundo en gases con una temperatura muy elevada. Si esto ocurre dentro de un barreno, esta reacción instantánea provoca presiones contra el muro del barreno que normalmente superan los 1800 GPa (aproximadamente 260 kips/in2). Dicha energía se transmite a la masa de roca contigua en forma de una onda de deformación compresiva u onda de choque, la que se propaga a través de la roca a una velocidad de entre 2000 - 6000 metros por segundo (6500 - 20000 pies/s). Los mecanismos de fragmentación de roca que pueden atribuirse al componente de choque de la energía liberada por un explosivo son la trituración, el movimiento radial relativo, la liberación de carga y el desprendimiento. La trituración se produce alrededor del muro del barreno cuando la presión en el frente de detonación supera la
resistencia a la compresión dinámica de la roca (Hagan (1973) y Bauer (1978)). El impulso de presión de salida generado por el frente de detonación a alta presión se encarga de dispersar y eliminar rápidamente la energía. La trituración cesa cuando el nivel de compresión del impulso desciende bajo el límite de elasticidad de la roca. Esto ocurre generalmente muy cerca de la pared del barreno. La roca que forma la pared del barreno, fuera de la zona triturada, está sujeta a una compresión muy repentina producto del impulso de compresión dispersor, tal como se muestra en la figura 1. Esta compresión (es decir, el movimiento radial relativo) resulta en tensiones tangenciales que pueden provocar la generación de grietas a partir del barreno (ver figura 1). La fisura radial se genera a partir del barreno, inicialmente en todas las direcciones, y no se ve influida por un frente local libre. El mecanismo de fragmentación provocado por la liberación de carga tiene efecto inmediatamente después que ha pasado el impulso de deformación o compresión, derivando en una disminución local de la densidad con las consiguientes tensiones. Estas tensiones producen fracturas alineadas perpendicularmente con la dirección de propagación del impulso de deformación (Clay et al. (1965)). El desprendimiento se produce cuando el impulso de compresión o de deformación se refleja en una superficie libre. Aquí se generan dos ondas: una onda de tensión y una onda de corte. La onda de tensión podría causar un agrietamiento y provocar el desprendimiento en el área de la superficie libre. Tanto las ondas de tensión como las de corte pueden extender las grietas preexistentes o nuevas (p. ej. las grietas formadas por el impulso de deformación inicial saliente).
Mecanismos de fragmentación producto del gas o la energía de dislocación (Ver Resumen de los puntos principales) Los mecanismos de fragmentación descritos anteriormente son provocados por el impulso de compresión o deformación inicial proveniente de la carga explosiva detonante. Posteriormente, se genera una zona con elevadas presiones y gases a altas temperaturas que ocupa el barreno detrás del frente de detonación. Estos gases penetran la zona triturada alrededor del barreno y fluyen hacia las grietas radiales o naturales. Allí la presión del gas tiende a actuar como una cuña abriendo las grietas y provocando su expansión. La presión sobre las paredes del barreno provocada por los gases generados por la explosión y el campo de tensión generado debido a la presión a la que están sometidas las grietas, desplaza la masa de roca entre el barreno y el frente libre. Debido a la geometría de la carga explosiva y de la masa de roca (ver figura 2), la roca situada en el frente se curva provocando la fragmentación por ruptura de tensión (Mercer (1980)). Este proceso ha sido observado en películas a alta velocidad y en fotografías de voladuras experimentales y destinadas a la producción. En la figura 3 se muestra un ejemplo al respecto.
La fractura de corte ocurre cuando la roca contigua se desplaza en tiempos o a velocidades diferentes. El desplazamiento es provocado debido a los gases a alta presión.
Algunas fracturas se producen por el choque de partículas de roca en movimiento. El grado de fragmentación que deriva de este mecanismo depende de la geometría de las cargas explosivas, su orden, el tiempo relativo de iniciación y las propiedades físicas de la roca. Los cuatro mecanismos de fragmentación de roca recién mencionados son el resultado de los gases a alta presión y elevadas temperaturas que actúan sobre la masa de roca. Esta energía del gas también cumple un rol importante en el desplazamiento de la pila de roca volada.
Mecánica del desplazamiento de la pila de roca volada (Ver Resumen de los puntos principales) El movimiento de material en una explosión es en primer lugar el resultado de los gases a alta presión producidos por la detonación de las cargas de explosivos (Edl (1983)). Estos gases a altas presiones fluyen hacia las grietas que rodean el barreno y forman una zona sometida a una tensión vertical. La forma de esta zona depende de la geometría de la carga explosiva y del barreno, aunque en la mayoría de las aplicaciones de minería la carga explosiva tiene la forma de un cilindro alargado, lo que crea un área sometida a una tensión vertical con forma cilíndrica. Los gases a alta presión de esta zona ejercen una fuerza en todas las direcciones, produciéndose un movimiento de material en la dirección que ofrece menos resistencia. La cantidad de material desplazado en una voladura es una función de las propiedades físicas del material, la orientación del barreno, la distancia que existe entre el barreno y el frente libre, el espacio entre los barrenos, la secuencia y el tiempo relativo de iniciación de las cargas, la cantidad y la distribución del explosivo y las propiedades del gas generado por el explosivo detonante. Todos estos
factores influyen en el tiempo que permanecen los gases a alta presión dentro de la masa de roca y, por lo tanto, determinan la cantidad de trabajo que pueden realizar (Lownds (1986) y Brinkmann (1990)). Cuando estos gases salen a la atmósfera cesa su utilidad.
Influencia del diseño de la voladura en la interacción roca/explosivo (Ver Resumen de los puntos principales) La fragmentación lograda por el proceso depende en gran parte del grado de confinamiento y acoplamiento de las cargas dentro de los barrenos, la cantidad de material que existe hasta el frente libre y la secuenciación de la voladura. Si el confinamiento de las cargas con el taco es inadecuado, se perderá energía de los barrenos. Un acoplamiento inadecuado deriva a su vez en una transmisión inefectiva de la onda de deformación a la masa de roca. Una cantidad excesiva de material hasta el frente libre deriva en una asfixia y en un escaso movimiento de la roca, mientras que una distancia al frente libre inadecuada deriva en una pérdida de energía explosiva y en una excesiva proyección de roca volada. El retraso efectivo de los barrenos individuales asegura un desarrollo y una utilización de superficies libres máxima al reducir la distancia al frente libre efectivo, le da libertad a la roca para desplazarse hacia el frente libre y reduce el alcance de los daños a la roca contigua. Propiedades de las rocas Encabezados de las sesiones: Introducción
Introducción (Ver Resumen de los puntos principales)
Los resultados de las voladuras se ven afectados, en gran parte, tanto por las propiedades de la roca intacta, como por las propiedades de la masa de roca. En algunos casos, la fragmentación, el desplazamiento y el daño provocado por la voladura pueden verse más influidos por las propiedades de la roca que por el diseño de la voladura. Propiedades de la roca intacta Las propiedades más importantes de la roca intacta que comúnmente se aplican en el diseño de la voladura son:
Las constantes de elasticidad (el módulo de Young, E, y el coeficiente de Poisson, ν)
La resistencia (a la compresión uniaxial, σ c y a la tensión, σt)
La densidad (ρ)
La velocidad de la onda de presión (Vp)
Definiciones (Ver Resumen de los puntos principales)
El módulo de Young es el coeficiente entre la tensión axial y la deformación axial en la compresión uniaxial (se expresa normalmente en GPa).
El coeficiente de Poisson es el coeficiente entre las magnitudes de la deformación lateral y la deformación axial (sin dimensión).
La resistencia a la compresión es el coeficiente entre la carga máxima y el área de una sección transversal de una muestra de prueba en una compresión uniaxial (se expresa normalmente en MPa).
La resistencia a la tensión es la carga máxima por área de sección transversal en el punto de rotura que está en tensión (se expresa normalmente en kPa).
La densidad de una roca es el peso específico (se expresa normalmente en g/cc).
La velocidad de la onda de presión, P, de una roca es una medida de la velocidad de transmisión de la onda de compresión (se expresa normalmente en m/s). Propiedades de la masa de roca Las propiedades más importantes de la masa roca que comúnmente se aplican en el diseño de la voladura son:
el número de fracturas (densidad) y
la orientación de la fractura (absoluta y relativa en relación con el frente libre).
Aplicación de las propiedades de la roca (Ver Resumen de los puntos principales) Las propiedades de la roca y de la masa de roca pueden utilizarse para evaluar:
La volabilidad
La fragmentación
El daño producido por la voladura Índices de volabilidad Las propiedades de la roca y de la masa de roca pueden utilizarse para desarrollar índices de volabilidad. Lilly (1986) desarrolló un popular método para su utilización en la franja de mineral de hierro del noroeste australiano. Este índice de volabilidad utiliza las siguientes variables para calcular los requerimientos en términos de la energía de la voladura:
La descripción de la masa de roca (densidad de la rotura),
El espaciamiento y la orientación del plano de la grieta,
La densidad relativa y
La dureza. Otros índices desarrollados utilizan datos similares. Predicción de la fragmentación Las ecuaciones de fragmentación Kuz-Ram fueron desarrolladas por Cunningham (1983), Cunningham (1987) para estimar la fragmentación producida por una voladura sobre la base de determinadas variables geológicas y de diseño. Los cálculos de KuzRam utilizan un «factor de roca» basado en el cálculo de la volabilidad descrito por Lilly (1986). Este método es ampliamente aceptado y puede adaptarse fácilmente a los cálculos realizados en un hoja de cálculo. Daño producido por la voladura La determinación de los criterios relacionados con el daño originado por la deformación (vibración) utiliza la relación entre la deformación inducida y la vibración máxima, tal como se muestra en la siguiente ecuación:
donde: ε= deformación inducida en la roca PPV = velocidad máxima de la partícula en el punto de interés (mm/s) Vp = velocidad de
la onda de presión de la roca (mm/s) Partiendo de la Ley de Hooke y asumiendo un modo de rotura frágil para la roca, se puede calcular la velocidad máxima de la partícula.
donde: PPVmáx = velocidad máxima de la partícula antes de la rotura por tensión (mm/s) σt = resistencia de la roca a la compresión uniaxial (Pa) - 1/10 a 1/15 de la resistencia a la compresión uniaxial compresiva Vp = velocidad de la onda de presión de la roca (mm/s) E = módulo de Young de la roca (Pa) Hay muchos otros métodos de predicción de daños publicados que, en esencia, utilizan la misma información para evaluar el potencial de daño de la voladura.
Resumen (Ver Resumen de los puntos principales) Es importante recordar que las voladuras rara vez se realizan en una masa de roca isotrópica, homogénea. Para lograr una voladura exitosa, las propiedades de la roca intacta y de la masa de roca pueden resultar tan importantes como la selección de un explosivo o el patrón de la voladura. En las siguientes imágenes se ven algunos ejemplos del efecto de la geología en los resultados de la voladura:
Glosario de términos relacionados con voladuras y excavaciones Acción galvánica - Corrientes que se originan cuando distintos metales toman o entre sí o se an a través de un medio conductor. Esta acción puede generar suficiente voltaje como para causar el disparo anticipado de un circuito eléctrico para voladura, particularmente en la presencia de agua salada.
Acoplamiento - Acto de conectar o unir dos o más partes distintas. En una voladura, el término alude a la transferencia de energía de una reacción explosiva a la roca adyacente y se considera perfecta cuando no hay pérdidas por absorción o amortiguación. Agente explosivo - Cualquier material o mezcla de materiales compuesta de un combustible y un oxidante destinada a realizar voladuras que no se clasifica como explosivo y en la cual ninguno de los ingredientes se clasifican como explosivos y donde, además, se estipula que el producto final como mezcla y embalado para el uso o el envío no puede detonarse por medio de una cápsula detonadora de prueba N.° 8 si no está confinado. Alambre conductor - Alambres que conectan los electrodos de un explosor eléctrico con los alambres finales del detonador de un circuito detonador. Alambre de conexión - Cualquier cable utilizado en un circuito detonador para extender la longitud de un alambre de un detonador o de un alambre conductor . Alambres del detonador - Los alambres que van desde el extremo de una cápsula de voladura eléctrica. Se utilizan para acoplar cápsulas al circuito. ANFO - Mezcla de nitrato de amonio con petróleo combustible. Se utiliza como agente explosivo. Ángulo de inclinación - El ángulo en el que están inclinados los estratos, capas o vetas en relación con el plano horizontal. Aprobados - Explosivos que han sido aprobados por la Oficina de Minas para gases no tóxicos de los Estados Unidos y que están permitidos en los trabajos subterráneos.
Astrolite - Familia de explosivos de dos componentes, generalmente líquidos, que poseen diferentes velocidades de detonación. Atacar - El proceso de compresión del taco o el explosivo en un barreno. Átomo gramo - Unidad utilizada en química para expresar el peso atómico de un elemento en términos de gramos (peso). Banco - La capa horizontal de un frente a lo largo del cual se realizan perforaciones de forma vertical. El banqueo o escalonado es el proceso de excavación mediante el cual se trabaja en terrazas o capas inclinadas. Barreno - Agujero perforado en la roca o en otro material para la colocación de explosivos. Barreno horizontal al pie del frente Perforación hecha o abierta bajo una roca o un tocón para colocar explosivos. Barreno poco profundo en un bolón Agujero perforado en un bolón con el objeto de permitir la colocación de una carga pequeña destinada a fragmentar el bolón. Base - Espacio o distancia existente entre el piso de una perforación y el frente libre vertical de un banco en una excavación. Boca - La boca o la abertura de una perforación, taladro o pozo. En el ámbito de las perforaciones, hacer una boca también alude el acto de iniciar una perforación. Bola rompedora - También conocida como bolo. Peso de hierro o acero sostenido por un cable de alambre que se deja caer sobre grandes rocas con el objeto de partirlas en fragmentos más pequeños. Bootleg - Situación en la cual la voladura no logra provocar la fragmentación completa de la roca debido a una cantidad insuficiente de explosivo para el volumen de roca o debido a la detonación incompleta de los explosivos.
Es la parte de un barreno que permanece relativamente intacta después de haber sido cargada con explosivos y haber sido detonada. Burden - En general, es la distancia entre la carga de explosivo y el frente libre o abierto más cercano. Desde el punto de vista técnico, puede haber un burden aparente y un burden verdadero. Este último se mide siempre en la dirección en la cual ocurrirá el desplazamiento de roca fragmentada después de la detonación de una carga explosiva. Cantera - Mina abierta o de superficie utilizada para la extracción de rocas, tales como calizas, esquistos, piedras para la construcción, etc. Cápsulas con retardos de milisegundos Cápsula eléctrica de retardo con un elemento de retardo integrado, generalmente una 25/1000 de segundo. Esta sincronización puede variar de un fabricante a otro. Carga espaciada - En una voladura alude a una carga más pequeña, o a una parte de un barreno cargado con explosivos, que está separada de la carga principal por medio de un taco o un colchón de aire. CDBE - Cordón detonante de baja energía (LEDC por su sigla en inglés). Se utiliza para iniciar cápsulas no eléctricas en el fondo de las perforaciones. Cebo - Unidad de explosivo que contiene un dispositivo de disparo apropiado utilizado para la iniciación de una carga completa de explosivo. Centros - Distancia medida entre dos o más barrenos adyacentes sin referencia a la ubicación de las perforaciones consideradas como hileras. El término no tiene ninguna asociación con los burdens entre barrenos. Columna de aire - Técnica de voladura en la cual se suspende la carga en una
perforación y luego se ataca fuertemente el agujero a fin de permitir un lapso de tiempo entre la detonación y la ruptura final de la roca (sin acoplamiento). Combustible - En los cálculos de explosivos, es el compuesto químico utilizado para combinarlo con oxígeno para formar productos gaseosos y provocar una liberación de calor. Conector - Dispositivo utilizado para iniciar un retraso en un circuito Primacord conectando una perforación del circuito con otra o una hilera de perforaciones con otra. Cordón detonante - Mecha de explosivos de alta velocidad, cubierta de plástico, utilizada para detonar cargas de explosivos en perforaciones o bajo el agua, como, Primacord. Corte - En el sentido más estricto es aquella parte de una excavación con una profundidad y una anchura más o menos específicas y que continúa de esa manera a lo largo o a través de los límites de la excavación. Antes de efectuar toda la extracción del material excavado, se realiza una serie de cortes. Las dimensiones específicas de cualquier corte se relacionan estrechamente con las propiedades del material y los niveles de producción requeridos. Crestería - Banco, crestón o capa ubicada en el borde de una excavación superficial y, por lo general, utilizada sólo en la explotación de hulleras a tajo abierto. Cubierta o sobrecarga - Material ubicado encima de la roca a volar. Por lo general, se trata de escombros y grava, pero también puede aludir a otro tipo de roca, por ejemplo, esquistos sobre calizas. Deflagración - Reacción explosiva consistente en una combustión muy rápida que va acompañada por la formación de gases y expansión de la presión.
Derivación - Pieza de metal que conecta los dos extremos de los alambres del detonador a fin de prevenir que las corrientes desviadas o vagabundas provoquen la detonación accidental de la cápsula. El acto de puentear deliberadamente cualquier parte de un circuito de voladura eléctrico. Detonador auxiliar - Compuesto químico utilizado para intensificar una reacción explosiva. El detonador auxiliar no tiene un dispositivo iniciador, aunque debe ser sensible a la cápsula. Detonador por descarga del condensador - Máquina para voladuras que utiliza baterías para proporcionar energía a una serie de condensadores y cuya energía almacenada es liberada a un circuito detonador. Detonación - Reacción explosiva que consiste en la propagación de una onda de choque a través del explosivo, que va acompañada de una reacción química que proporciona la energía para mantener la propagación de la onda de choque de una manera estable y que es seguida por la formación de gases y una expansión de la presión. Diámetro crítico - Diámetro mínimo de una carga explosiva con la cual todavía se produce la detonación. Dinamitero - Pieza de metal que conecta los dos extremos de los alambres del detonador a fin de prevenir que las corrientes desviadas o vagabundas provoquen la detonación accidental de la cápsula. El acto de puentear deliberadamente cualquier parte de un circuito de voladura eléctrico. Disparo - En una voladura, es el acto de iniciar una reacción explosiva. Elemento retardador - Aquella parte de una cápsula detonante que provoca un retardo entre el instante en que ocurre el impacto de la energía eléctrica en la cápsula y
el momento de la detonación de la carga principal de la misma. Ensanchamiento del fondo - Más comúnmente denominado cuarteamiento . Es el proceso de ensanchamiento de una porción de un barreno (normalmente el fondo) por medio de la detonación de una serie de pequeñas cargas explosivas. Escollera - Roca de gran tamaño utilizada para la estabilización de las orillas de un río, presas, etc. a fin de reducir la erosión provocada por el flujo del agua. Espaciamiento - En las voladuras, es la distancia que existe entre las perforaciones o las cargas de una hilera. Estera - Utilizada para cubrir un tiro a fin de contener el material proyectado; generalmente se fabrica de alambre tejido, goma o cintas transportadoras. Estratificación - Planos dentro de los depósitos de roca sedimentaria formados por la interrupción de la sedimentación. Explosión - Proceso termoquímico en el cual mezclas de gases, sólidos o líquidos reaccionan generando casi instantáneamente presiones gaseosas y una liberación repentina de calor. En este proceso siempre debe haber una fuente de ignición y debe alcanzarse un límite adecuado de temperatura para iniciar la reacción. Considerado desde el punto de vista técnico, una caldera puede reventar, pero no puede explotar. Explosivo - Cualquier mezcla química que reacciona a una velocidad elevada para liberar gas y calor, provocando así enormes presiones. La distinción entre explosivos rápidos o altos explosivos y explosivos lentos o no detonantes considera dos aspectos: los primeros se diseñan para detonar y contienen al menos un componente explosivo instantáneo, mientras que los lentos siempre deflagran y no contienen elementos que
puedan explotar por sí mismos. Tanto los explosivos rápidos como los lentos pueden iniciarse por medio de una cápsula detonante N.° 8 a diferencia de los agentes explosivos que no pueden iniciarse de esa forma. Factor de carga - Término utilizado para describir la masa de explosivo utilizada para romper una unidad de volumen o de peso de roca. Factor de esponjamiento - Relación entre el volumen de un material en su estado sólido y el volumen cuando está fragmentado. Falla de voladura - Carga o parte de una carga que por cualquier razón ha fallado en detonar como estaba planeado. Todas las fallas de voladura deben considerarse como extremadamente peligrosas hasta que se ha determinado la causa de la falla. Filón - Estrato o capa de mineral. También un plano de estratificación en un depósito de roca sedimentaria. Fractura - Literalmente la ruptura de la roca sin remoción de los fragmentos partidos. Fractura fuera de la línea de barrenos Roca fragmentada más allá de los límites de la última hilera de perforaciones. Fragmentación - Grado de rotura de la roca en fragmentos pequeños producto de la voladura primaria. Frente - Extremo de una excavación hacia la cual va progresando el trabajo o la última que se ha hecho. También se denomina frente a cualquier superficie de roca expuesta al aire. Galería de - Galería casi horizontal que va desde la superficie y que permite entrar a una mina subterránea, por oposición a un túnel. Galvanómetro - Dispositivo que contiene una batería de cloruro de plata y utilizado para
medir la resistencia en un circuito de voladura eléctrico. Grado - En una excavación, esta magnitud especifica la elevación del piso del camino, riel, cimientos, etc. Cuando se tiene un valor en porcentaje o una expresión en grados, se refiere al desnivel o a la inclinación en relación a una distancia horizontal unitaria para una zanja, camino, etc. Graduar significa nivelar las irregularidades del suelo a un nivel prescrito. Grietas - Planos dentro de las masas de roca a lo largo de los cuales no hay resistencia a la separación y a lo largo de los cuales no ha habido un movimiento relativo del material a ambos lados de la fractura. Aparecen en conjuntos donde los planos son generalmente perpendiculares. Las grietas, al igual que la estratificación, se denominan a menudo separación. Impedancia acústica - Expresión matemática que caracteriza a un material según sus propiedades para transferir energía (el producto entre su densidad y su velocidad del sonido (pV)). Iniciación - Acto de detonar un alto explosivo por medio de un dispositivo mecánico o por otros medios. Interrupción - La parte de una columna de explosivos que no ha logrado detonar debido a un puente o a un cambio de la formación rocosa inducido por un sistema de retraso inapropiado. Mol - Unidad utilizada en tecnología química igual al peso molecular de una sustancia expresada en gramos. Orientación - Rumbo de un filón o curso de afloramiento de una capa inclinada o de una estructura geológica en una superficie nivelada. Oxidante
- Proveedor de oxigeno.
Pila de roca volada - La pila de material fragmentado o los escombros generados al excavar y que deben ser cargados para su retiro. Piso - Parte inferior horizontal, o casi horizontal, de una excavación sobre la cual se camina o se realiza el transporte. Pólvora - Término utilizado para describir la masa de explosivo utilizada para romper una unidad de volumen o de peso de roca. Potencia - Contenido de energía de un explosivo en relación a igual cantidad de dinamita de nitroglicerina. Potencia por volumen - Es la potencia de un explosivo en relación con el mismo volumen de un explosivo estándar, generalmente ANFO. Precorte - Alivio de tensión que involucra a una sola hilera de perforaciones, hecha a lo largo de una línea de excavación estructural, en el que la detonación de los explosivos insertos en la perforación provoca un corte de la red de roca ubicada entre ellas. Los barrenos de precorte se disparan antes que las perforaciones de producción. Prematura planeado.
- Carga que detona antes de lo
Presión de detonación - La presión dentro de la zona de reacción primaria que está delimitada por el frente de choque y el plano de Chapman-Jouguet (plano C-J). Puente - En un barreno es el punto donde se rompe la continuidad de una columna de explosivos, ya sea por una colocación incorrecta, como en el caso de agentes explosivos vertidos o de tipo slurry, o donde una sustancia extraña ha tapado el agujero. Sensibilizador - Ingrediente utilizado en los componentes de explosivos para facilitar
la iniciación o la propagación de las reacciones. Serie - Grupo o conjunto de barrenos que constituye un corte completo en un frente de avance subterráneo, túneles, etc. Sismógrafo - Instrumento que mide y proporciona un registro permanente de las vibraciones del suelo inducidas por terremotos, voladuras, etc. Sobrequiebre - Fragmentación excesiva de la roca más allá del límite de excavación deseado. Subtaladrar - Taladrar barrenos más allá de la rasante planificada o bajo el nivel del suelo. Suelo endurecido - Arcilla que contiene bloques o capas de grava. Generalmente se ubica a unos cuantos pies bajo la superficie y de forma tan aglutinada que es necesario volarla o romperla para poder excavar. Taco - Material inerte, tal como las virutas del taladro, utilizado en la boca (o en cualquiera otra parte) de una perforación con el objeto de confinar los gases generados por la explosión. También la extensión del barreno que se ha dejado sin carga. Tajo abierto - Operación de superficie destinada a la extracción de minerales metálicos, carbón, arcilla, etc. Talud - Expresión que se utiliza para definir la relación entre la elevación vertical o altura y las distancias horizontales al momento de describir el ángulo que forma un banco o el frente de un banco en relación a la horizontal. Por ejemplo, un talud de 1 -1/2 a 1 significa que hay una elevación de 1 -1/2 pie de ascenso por cada 1 pie (0.3048 m) o distancia horizontal. Techo - El techo o la parte superior de una abertura subterránea. También se utiliza para
denominar al mineral ubicado entre un nivel y la superficie o entre dos niveles. Velocidad de detonación - La medida de la velocidad a la que se desplaza la onda de detonación a través de un explosivo. Voladura - Operación que consiste en el desgarre (fragmentación) de la roca mediante el uso de explosivos. Como sinónimo de voladura también se utiliza el término tiro. Voladura amortiguada - Técnica que consiste en hacer un tiro de una línea única de perforaciones a lo largo de una línea de excavación estructural para cortar la red existente entre los agujeros que se han perforado a muy poca distancia entre sí. Se dispara después que se ha realizado el tiro de producción. Voladura primaria - Voladura principal realizada para mantener la producción. Voladura secundaria - Es la que se realiza utilizando explosivos a fin de desintegrar las masas de roca de grandes dimensiones resultantes de la voladura primaria; rocas que, por lo general, son demasiado grandes para un manejo fácil. Voladura sin perforación - También denominada como voladura con adobe o parche Carga de explosivo disparada en o con la superficie de una roca después de cubrirla con una capa de lodo, tierra mojada o una sustancia similar. En este caso no se utiliza ninguna perforación. Voladuras coyote - La práctica de perforar barrenos (túneles) en el frente rocoso, a los pies del yacimiento, de forma horizontal. Se utiliza donde no resulta practico perforar verticalmente.
Revisión 1
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Q1. ¿Cuál de los siguientes mecanismos de fragmentación de roca se atribuyen al componente de choque de la energía liberada por un explosivo? La fragmentación de corte a lo largo de las grietas.
La ruptura por flexión.
El movimiento relativamente radial.
La trituración.
La liberación de carga.
La extensión de las grietas por la presión de los gases.
El desprendimiento.
Q2. Los factores involucrados en el diseño de una voladura que influyen en el grado de fragmentación de una roca incluyen: El grado de confinamiento de las cargas en un barreno.
El nivel de subtaladrado en los barrenos.
El nivel de precorte realizado antes de una voladura.
El acoplamiento de cargas dentro de los barrenos.
El volumen de roca entre el barreno y el frente libre.
La secuencia de la voladura.
Q3. Las propiedades de una roca intacta que son relevantes para el diseño de una voladura incluyen: Las constantes elásticas.
La resistencia a la compresión.
La densidad o densidad relativa.
La fragmentación.
La resistencia a la tensión.
La velocidad de la onda de presion (P).
La densidad de la fractura.
Q4. Las técnicas para las voladuras de control de paredes incluyen: Las voladuras de gran proyección.
La perforación en línea.
El precorte.
La voladura amortiguada.
Las voladuras de hundimiento.
Las voladuras controladas.
Q5. El término «voladura coyote» alude a: Un método de control de pestes practicado en las regiones
occidentales de Estados Unidos. La práctica de perforar barrenos horizontalmente en la base de un
frente rocoso. El proceso de extensión de la base de un barreno por medio del
disparo de una serie de pequeñas cargas de explosivo.
los riesgos de daños en las estructuras adyacentes y
las molestias a las personas que viven y/o trabajan cerca del área afectada por la detonación Este curso describe los métodos de voladura de roca y la forma cómo se los puede utilizar de una manera segura y rentable. El curso aborda los siguientes temas:
Tipos de explosivos
Iniciadores y sistemas de inicio
Mecanismos de fragmentación de rocas mediante explosivos
Fundamentos de la voladura de bancos de producción
Técnicas de voladura para crear taludes de roca estables
Prevención de daños derivados de la vibración del suelo, la explosión acústica y el material proyectado al aire
Procedimientos de seguridad
También se ha incluido una lista de referencias (a partir de la cual se pueden obtener más detalles sobre los productos y las técnicas descritas en este manual) y un glosario de términos relacionados con voladuras y excavaciones.
Aplicaciones de voladuras en la minería a tajo abierto y la explotación de canteras (Ver Resumen de los puntos principales) A continuación presentamos una descripción breve de algunos tipos de voladura comúnmente usados en las minas a tajo abierto y en las canteras: Voladuras de bancos de producción Este es el tipo de voladura más común. Su objetivo es fragmentar y aflojar la roca que se está preparando para su excavación por medio de cargadores frontales, palas mecánicas, dragalinas o buldóceres. El grado de preparación o acondicionamiento de la roca que se realizará mediante la voladura dependerá de las características de la masa de roca y, además, del tipo, el tamaño y el modo de operación de los equipos excavadores. Voladuras de control de paredes Estas voladuras se diseñan con el objeto de fragmentar la roca cerca o hasta el último tajo o cantera, provocando el menor daño a la roca que se encuentra más allá de este límite. Para lograr esto se utiliza una serie de técnicas que incluyen: la perforación en línea , el precorte , la voladura controlada , la voladura suave y la voladura amortiguada . Voladuras de gran proyección En muchas minas de carbón de superficie hay un incentivo económico para mover parte importante del material que está sobre el yacimiento a su posición final mediante una voladura. Las voladuras de gran proyección se diseñan de una manera tal que permitan maximizar el movimiento horizontal de la roca en la dirección deseada. Voladuras de hundimiento
Estas voladuras representan, por lo general, la primera voladura que se realiza en un banco nuevo, en el cual no existe un frente vertical libre. Están diseñadas para romper y aflojar el volumen de roca usando la superficie como único frente libre. Aquí se excava una rampa a través de la pila de roca volada hasta el piso del nuevo banco y se establece un frente libre.
Métodos de fragmentación de rocas sin uso de explosivos (Ver Resumen de los puntos principales) Existen algunas circunstancias en las cuales habría que utilizar métodos de fragmentación de rocas sin uso de explosivos. Este es el caso de emplazamientos en los cuales hay equipos o estructuras ubicadas a corta distancia que son extremadamente sensibles a las vibraciones o también el caso de áreas con rocas blandas en las cuales el método de arranque resulta más económico que una voladura. A continuación se describirán brevemente algunos métodos de fragmentación de roca sin uso de explosivos. Arranque Las rocas blandas a menudo pueden fragmentarse por arranque por medio de una excavadora o mediante un buldócer, en el caso de las rocas duras. El criterio más utilizado para determinar si se puede realizar un arranque y seleccionar los equipos adecuados es la velocidad sísmica de la roca. El “Caterpillar Equipment Handbook” entrega información sobre velocidades sísmicas y los equipos de arranque requeridos. En la roca blanda, la ventaja del arranque en comparación con la voladura radica en que puede efectuarse con una tolerancia mínima y, prácticamente, no se ocasiona daños a la roca que está en los bordes de la excavación. Además, el arranque también puede efectuarse después de que ha anochecido. Corte hidráulico En excavaciones pequeñas realizadas en rocas frágiles puede utilizarse un partidor hidráulico o una cuña hidráulica para crear una fractura por tensión entre perforaciones ubicadas muy cerca entre sí. Este es un
método lento, pero con un elevado nivel de control de la fragmentación de la roca. Se utiliza principalmente para fragmentaciones concretas, en las canteras de piedra dimensionada o en áreas con cimientos que soportan una gran carga, en los cuales un sobrequiebre generado por la voladura reduciría la resistencia de la roca. Martillos hidráulicos Los martillos hidráulicos, frecuentemente montados sobre la pluma retroexcavadora, se pueden usar para fracturar tanto rocas blandas como duras. Este método de fragmentación de rocas puede controlarse detenidamente y es utilizado, algunas veces, en conjunto con el arranque en aquellos lugares donde hay lentes de roca dura. La desventaja de este equipo es que resulta ruidoso y no es efectivo en capas de roca muy duras, con pocas grietas o discontinuidades. Químicos Otro producto disponible en el mercado es un compuesto similar al cemento que se expande cuando se lo mezcla con agua. Cuando se coloca este material en una serie de perforaciones ubicadas muy cerca entre sí, la presión generada por la expansión resulta suficiente para fragmentar la roca. Si bien éste es un método de fragmentación de roca con un elevado nivel de control, tiene la desventaja de que el material es costoso y el proceso de expansión demora entre 10 a 20 horas.
Contexto (Ver Resumen de los puntos principales) La interacción entre el explosivo y la masa de roca contigua durante e inmediatamente después de la detonación es una función de las propiedades de la detonación del explosivo y las propiedades físico dinámicas de la masa de roca adyacente. Las teorías de fragmentación de roca y los mecanismos de formación de la pila de roca volada tienen su fundamento en la interacción del explosivo detonante y la roca contigua. Una comprensión del mecanismo de
fragmentación de roca por medio de explosivos permite al diseñador de voladuras fragmentar la masa de roca de una forma más económica y minimizar el daño causado por la misma más allá del perímetro de excavación. Los mecanismos mediante los cuales los explosivos fragmentan la roca resultan fundamentales para el diseño de los patrones de voladura. Además, están relacionados con los daños que puede sufrir la roca y las estructuras contiguas y con las reacciones de las personas que viven en las inmediaciones de una voladura.
Teorías de la fragmentación de rocas (Ver Resumen de los puntos principales) Existen varias teorías y modelos que intentan describir el proceso que ocurre durante y después de la detonación de una carga explosiva en una masa de roca. En términos generales, este proceso involucra la liberación rápida de energía mediante el explosivo, la aplicación de la energía a la roca y la consecuente respuesta de la roca a la aplicación de la energía. No obstante, el proceso se complica por factores tales como la velocidad, el tipo y la cantidad de energía liberada por el explosivo, el diseño de la voladura y las propiedades de la masa de roca. Los mecanismos de fragmentación de rocas que han identificado (Hagan (1967), Hagan (1973) y Mercer (1980)) son:
La trituración
El movimiento radial relativo
La liberación de carga
El desprendimiento
La extensión de las grietas generadas por la onda de compresión y/o las grietas naturales provocada por el gas
La ruptura por flexión
La fractura de corte a lo largo de las grietas naturales y las grietas generadas por la onda de compresión
El choque en vuelo Estos mecanismos provocan un grado de fragmentación variable que dependerá de las características del explosivo, las propiedades de la roca, la geometría de la masa de roca y la carga explosiva. Los mecanismos pueden dividirse en dos categorías: aquellos causados por el componente de choque de la energía producida por el explosivo y los que derivan de la energía del gas (Brown (1956)).
Mecanismos de fragmentación por energía de choque (Ver Resumen de los puntos principales) Cuando se detona un explosivo, este se convierte dentro de unas pocas milésimas de segundo en gases con una temperatura muy elevada. Si esto ocurre dentro de un barreno, esta reacción instantánea provoca presiones contra el muro del barreno que normalmente superan los 1800 GPa (aproximadamente 260 kips/in2). Dicha energía se transmite a la masa de roca contigua en forma de una onda de deformación compresiva u onda de choque, la que se propaga a través de la roca a una velocidad de entre 2000 - 6000 metros por segundo (6500 - 20000 pies/s). Los mecanismos de fragmentación de roca que pueden atribuirse al componente de choque de la energía liberada por un explosivo son la trituración, el movimiento radial relativo, la liberación de carga y el desprendimiento. La trituración se produce alrededor del muro del barreno cuando la presión en el frente de detonación supera la
resistencia a la compresión dinámica de la roca (Hagan (1973) y Bauer (1978)). El impulso de presión de salida generado por el frente de detonación a alta presión se encarga de dispersar y eliminar rápidamente la energía. La trituración cesa cuando el nivel de compresión del impulso desciende bajo el límite de elasticidad de la roca. Esto ocurre generalmente muy cerca de la pared del barreno. La roca que forma la pared del barreno, fuera de la zona triturada, está sujeta a una compresión muy repentina producto del impulso de compresión dispersor, tal como se muestra en la figura 1. Esta compresión (es decir, el movimiento radial relativo) resulta en tensiones tangenciales que pueden provocar la generación de grietas a partir del barreno (ver figura 1). La fisura radial se genera a partir del barreno, inicialmente en todas las direcciones, y no se ve influida por un frente local libre. El mecanismo de fragmentación provocado por la liberación de carga tiene efecto inmediatamente después que ha pasado el impulso de deformación o compresión, derivando en una disminución local de la densidad con las consiguientes tensiones. Estas tensiones producen fracturas alineadas perpendicularmente con la dirección de propagación del impulso de deformación (Clay et al. (1965)). El desprendimiento se produce cuando el impulso de compresión o de deformación se refleja en una superficie libre. Aquí se generan dos ondas: una onda de tensión y una onda de corte. La onda de tensión podría causar un agrietamiento y provocar el desprendimiento en el área de la superficie libre. Tanto las ondas de tensión como las de corte pueden extender las grietas preexistentes o nuevas (p. ej. las grietas formadas por el impulso de deformación inicial saliente).
Mecanismos de fragmentación producto del gas o la energía de dislocación (Ver Resumen de los puntos principales) Los mecanismos de fragmentación descritos anteriormente son provocados por el impulso de compresión o deformación inicial proveniente de la carga explosiva detonante. Posteriormente, se genera una zona con elevadas presiones y gases a altas temperaturas que ocupa el barreno detrás del frente de detonación. Estos gases penetran la zona triturada alrededor del barreno y fluyen hacia las grietas radiales o naturales. Allí la presión del gas tiende a actuar como una cuña abriendo las grietas y provocando su expansión. La presión sobre las paredes del barreno provocada por los gases generados por la explosión y el campo de tensión generado debido a la presión a la que están sometidas las grietas, desplaza la masa de roca entre el barreno y el frente libre. Debido a la geometría de la carga explosiva y de la masa de roca (ver figura 2), la roca situada en el frente se curva provocando la fragmentación por ruptura de tensión (Mercer (1980)). Este proceso ha sido observado en películas a alta velocidad y en fotografías de voladuras experimentales y destinadas a la producción. En la figura 3 se muestra un ejemplo al respecto.
La fractura de corte ocurre cuando la roca contigua se desplaza en tiempos o a velocidades diferentes. El desplazamiento es provocado debido a los gases a alta presión.
Algunas fracturas se producen por el choque de partículas de roca en movimiento. El grado de fragmentación que deriva de este mecanismo depende de la geometría de las cargas explosivas, su orden, el tiempo relativo de iniciación y las propiedades físicas de la roca. Los cuatro mecanismos de fragmentación de roca recién mencionados son el resultado de los gases a alta presión y elevadas temperaturas que actúan sobre la masa de roca. Esta energía del gas también cumple un rol importante en el desplazamiento de la pila de roca volada.
Mecánica del desplazamiento de la pila de roca volada (Ver Resumen de los puntos principales) El movimiento de material en una explosión es en primer lugar el resultado de los gases a alta presión producidos por la detonación de las cargas de explosivos (Edl (1983)). Estos gases a altas presiones fluyen hacia las grietas que rodean el barreno y forman una zona sometida a una tensión vertical. La forma de esta zona depende de la geometría de la carga explosiva y del barreno, aunque en la mayoría de las aplicaciones de minería la carga explosiva tiene la forma de un cilindro alargado, lo que crea un área sometida a una tensión vertical con forma cilíndrica. Los gases a alta presión de esta zona ejercen una fuerza en todas las direcciones, produciéndose un movimiento de material en la dirección que ofrece menos resistencia. La cantidad de material desplazado en una voladura es una función de las propiedades físicas del material, la orientación del barreno, la distancia que existe entre el barreno y el frente libre, el espacio entre los barrenos, la secuencia y el tiempo relativo de iniciación de las cargas, la cantidad y la distribución del explosivo y las propiedades del gas generado por el explosivo detonante. Todos estos
factores influyen en el tiempo que permanecen los gases a alta presión dentro de la masa de roca y, por lo tanto, determinan la cantidad de trabajo que pueden realizar (Lownds (1986) y Brinkmann (1990)). Cuando estos gases salen a la atmósfera cesa su utilidad.
Influencia del diseño de la voladura en la interacción roca/explosivo (Ver Resumen de los puntos principales) La fragmentación lograda por el proceso depende en gran parte del grado de confinamiento y acoplamiento de las cargas dentro de los barrenos, la cantidad de material que existe hasta el frente libre y la secuenciación de la voladura. Si el confinamiento de las cargas con el taco es inadecuado, se perderá energía de los barrenos. Un acoplamiento inadecuado deriva a su vez en una transmisión inefectiva de la onda de deformación a la masa de roca. Una cantidad excesiva de material hasta el frente libre deriva en una asfixia y en un escaso movimiento de la roca, mientras que una distancia al frente libre inadecuada deriva en una pérdida de energía explosiva y en una excesiva proyección de roca volada. El retraso efectivo de los barrenos individuales asegura un desarrollo y una utilización de superficies libres máxima al reducir la distancia al frente libre efectivo, le da libertad a la roca para desplazarse hacia el frente libre y reduce el alcance de los daños a la roca contigua. Propiedades de las rocas Encabezados de las sesiones: Introducción
Introducción (Ver Resumen de los puntos principales)
Los resultados de las voladuras se ven afectados, en gran parte, tanto por las propiedades de la roca intacta, como por las propiedades de la masa de roca. En algunos casos, la fragmentación, el desplazamiento y el daño provocado por la voladura pueden verse más influidos por las propiedades de la roca que por el diseño de la voladura. Propiedades de la roca intacta Las propiedades más importantes de la roca intacta que comúnmente se aplican en el diseño de la voladura son:
Las constantes de elasticidad (el módulo de Young, E, y el coeficiente de Poisson, ν)
La resistencia (a la compresión uniaxial, σ c y a la tensión, σt)
La densidad (ρ)
La velocidad de la onda de presión (Vp)
Definiciones (Ver Resumen de los puntos principales)
El módulo de Young es el coeficiente entre la tensión axial y la deformación axial en la compresión uniaxial (se expresa normalmente en GPa).
El coeficiente de Poisson es el coeficiente entre las magnitudes de la deformación lateral y la deformación axial (sin dimensión).
La resistencia a la compresión es el coeficiente entre la carga máxima y el área de una sección transversal de una muestra de prueba en una compresión uniaxial (se expresa normalmente en MPa).
La resistencia a la tensión es la carga máxima por área de sección transversal en el punto de rotura que está en tensión (se expresa normalmente en kPa).
La densidad de una roca es el peso específico (se expresa normalmente en g/cc).
La velocidad de la onda de presión, P, de una roca es una medida de la velocidad de transmisión de la onda de compresión (se expresa normalmente en m/s). Propiedades de la masa de roca Las propiedades más importantes de la masa roca que comúnmente se aplican en el diseño de la voladura son:
el número de fracturas (densidad) y
la orientación de la fractura (absoluta y relativa en relación con el frente libre).
Aplicación de las propiedades de la roca (Ver Resumen de los puntos principales) Las propiedades de la roca y de la masa de roca pueden utilizarse para evaluar:
La volabilidad
La fragmentación
El daño producido por la voladura Índices de volabilidad Las propiedades de la roca y de la masa de roca pueden utilizarse para desarrollar índices de volabilidad. Lilly (1986) desarrolló un popular método para su utilización en la franja de mineral de hierro del noroeste australiano. Este índice de volabilidad utiliza las siguientes variables para calcular los requerimientos en términos de la energía de la voladura:
La descripción de la masa de roca (densidad de la rotura),
El espaciamiento y la orientación del plano de la grieta,
La densidad relativa y
La dureza. Otros índices desarrollados utilizan datos similares. Predicción de la fragmentación Las ecuaciones de fragmentación Kuz-Ram fueron desarrolladas por Cunningham (1983), Cunningham (1987) para estimar la fragmentación producida por una voladura sobre la base de determinadas variables geológicas y de diseño. Los cálculos de KuzRam utilizan un «factor de roca» basado en el cálculo de la volabilidad descrito por Lilly (1986). Este método es ampliamente aceptado y puede adaptarse fácilmente a los cálculos realizados en un hoja de cálculo. Daño producido por la voladura La determinación de los criterios relacionados con el daño originado por la deformación (vibración) utiliza la relación entre la deformación inducida y la vibración máxima, tal como se muestra en la siguiente ecuación:
donde: ε= deformación inducida en la roca PPV = velocidad máxima de la partícula en el punto de interés (mm/s) Vp = velocidad de
la onda de presión de la roca (mm/s) Partiendo de la Ley de Hooke y asumiendo un modo de rotura frágil para la roca, se puede calcular la velocidad máxima de la partícula.
donde: PPVmáx = velocidad máxima de la partícula antes de la rotura por tensión (mm/s) σt = resistencia de la roca a la compresión uniaxial (Pa) - 1/10 a 1/15 de la resistencia a la compresión uniaxial compresiva Vp = velocidad de la onda de presión de la roca (mm/s) E = módulo de Young de la roca (Pa) Hay muchos otros métodos de predicción de daños publicados que, en esencia, utilizan la misma información para evaluar el potencial de daño de la voladura.
Resumen (Ver Resumen de los puntos principales) Es importante recordar que las voladuras rara vez se realizan en una masa de roca isotrópica, homogénea. Para lograr una voladura exitosa, las propiedades de la roca intacta y de la masa de roca pueden resultar tan importantes como la selección de un explosivo o el patrón de la voladura. En las siguientes imágenes se ven algunos ejemplos del efecto de la geología en los resultados de la voladura:
Glosario de términos relacionados con voladuras y excavaciones Acción galvánica - Corrientes que se originan cuando distintos metales toman o entre sí o se an a través de un medio conductor. Esta acción puede generar suficiente voltaje como para causar el disparo anticipado de un circuito eléctrico para voladura, particularmente en la presencia de agua salada.
Acoplamiento - Acto de conectar o unir dos o más partes distintas. En una voladura, el término alude a la transferencia de energía de una reacción explosiva a la roca adyacente y se considera perfecta cuando no hay pérdidas por absorción o amortiguación. Agente explosivo - Cualquier material o mezcla de materiales compuesta de un combustible y un oxidante destinada a realizar voladuras que no se clasifica como explosivo y en la cual ninguno de los ingredientes se clasifican como explosivos y donde, además, se estipula que el producto final como mezcla y embalado para el uso o el envío no puede detonarse por medio de una cápsula detonadora de prueba N.° 8 si no está confinado. Alambre conductor - Alambres que conectan los electrodos de un explosor eléctrico con los alambres finales del detonador de un circuito detonador. Alambre de conexión - Cualquier cable utilizado en un circuito detonador para extender la longitud de un alambre de un detonador o de un alambre conductor . Alambres del detonador - Los alambres que van desde el extremo de una cápsula de voladura eléctrica. Se utilizan para acoplar cápsulas al circuito. ANFO - Mezcla de nitrato de amonio con petróleo combustible. Se utiliza como agente explosivo. Ángulo de inclinación - El ángulo en el que están inclinados los estratos, capas o vetas en relación con el plano horizontal. Aprobados - Explosivos que han sido aprobados por la Oficina de Minas para gases no tóxicos de los Estados Unidos y que están permitidos en los trabajos subterráneos.
Astrolite - Familia de explosivos de dos componentes, generalmente líquidos, que poseen diferentes velocidades de detonación. Atacar - El proceso de compresión del taco o el explosivo en un barreno. Átomo gramo - Unidad utilizada en química para expresar el peso atómico de un elemento en términos de gramos (peso). Banco - La capa horizontal de un frente a lo largo del cual se realizan perforaciones de forma vertical. El banqueo o escalonado es el proceso de excavación mediante el cual se trabaja en terrazas o capas inclinadas. Barreno - Agujero perforado en la roca o en otro material para la colocación de explosivos. Barreno horizontal al pie del frente Perforación hecha o abierta bajo una roca o un tocón para colocar explosivos. Barreno poco profundo en un bolón Agujero perforado en un bolón con el objeto de permitir la colocación de una carga pequeña destinada a fragmentar el bolón. Base - Espacio o distancia existente entre el piso de una perforación y el frente libre vertical de un banco en una excavación. Boca - La boca o la abertura de una perforación, taladro o pozo. En el ámbito de las perforaciones, hacer una boca también alude el acto de iniciar una perforación. Bola rompedora - También conocida como bolo. Peso de hierro o acero sostenido por un cable de alambre que se deja caer sobre grandes rocas con el objeto de partirlas en fragmentos más pequeños. Bootleg - Situación en la cual la voladura no logra provocar la fragmentación completa de la roca debido a una cantidad insuficiente de explosivo para el volumen de roca o debido a la detonación incompleta de los explosivos.
Es la parte de un barreno que permanece relativamente intacta después de haber sido cargada con explosivos y haber sido detonada. Burden - En general, es la distancia entre la carga de explosivo y el frente libre o abierto más cercano. Desde el punto de vista técnico, puede haber un burden aparente y un burden verdadero. Este último se mide siempre en la dirección en la cual ocurrirá el desplazamiento de roca fragmentada después de la detonación de una carga explosiva. Cantera - Mina abierta o de superficie utilizada para la extracción de rocas, tales como calizas, esquistos, piedras para la construcción, etc. Cápsulas con retardos de milisegundos Cápsula eléctrica de retardo con un elemento de retardo integrado, generalmente una 25/1000 de segundo. Esta sincronización puede variar de un fabricante a otro. Carga espaciada - En una voladura alude a una carga más pequeña, o a una parte de un barreno cargado con explosivos, que está separada de la carga principal por medio de un taco o un colchón de aire. CDBE - Cordón detonante de baja energía (LEDC por su sigla en inglés). Se utiliza para iniciar cápsulas no eléctricas en el fondo de las perforaciones. Cebo - Unidad de explosivo que contiene un dispositivo de disparo apropiado utilizado para la iniciación de una carga completa de explosivo. Centros - Distancia medida entre dos o más barrenos adyacentes sin referencia a la ubicación de las perforaciones consideradas como hileras. El término no tiene ninguna asociación con los burdens entre barrenos. Columna de aire - Técnica de voladura en la cual se suspende la carga en una
perforación y luego se ataca fuertemente el agujero a fin de permitir un lapso de tiempo entre la detonación y la ruptura final de la roca (sin acoplamiento). Combustible - En los cálculos de explosivos, es el compuesto químico utilizado para combinarlo con oxígeno para formar productos gaseosos y provocar una liberación de calor. Conector - Dispositivo utilizado para iniciar un retraso en un circuito Primacord conectando una perforación del circuito con otra o una hilera de perforaciones con otra. Cordón detonante - Mecha de explosivos de alta velocidad, cubierta de plástico, utilizada para detonar cargas de explosivos en perforaciones o bajo el agua, como, Primacord. Corte - En el sentido más estricto es aquella parte de una excavación con una profundidad y una anchura más o menos específicas y que continúa de esa manera a lo largo o a través de los límites de la excavación. Antes de efectuar toda la extracción del material excavado, se realiza una serie de cortes. Las dimensiones específicas de cualquier corte se relacionan estrechamente con las propiedades del material y los niveles de producción requeridos. Crestería - Banco, crestón o capa ubicada en el borde de una excavación superficial y, por lo general, utilizada sólo en la explotación de hulleras a tajo abierto. Cubierta o sobrecarga - Material ubicado encima de la roca a volar. Por lo general, se trata de escombros y grava, pero también puede aludir a otro tipo de roca, por ejemplo, esquistos sobre calizas. Deflagración - Reacción explosiva consistente en una combustión muy rápida que va acompañada por la formación de gases y expansión de la presión.
Derivación - Pieza de metal que conecta los dos extremos de los alambres del detonador a fin de prevenir que las corrientes desviadas o vagabundas provoquen la detonación accidental de la cápsula. El acto de puentear deliberadamente cualquier parte de un circuito de voladura eléctrico. Detonador auxiliar - Compuesto químico utilizado para intensificar una reacción explosiva. El detonador auxiliar no tiene un dispositivo iniciador, aunque debe ser sensible a la cápsula. Detonador por descarga del condensador - Máquina para voladuras que utiliza baterías para proporcionar energía a una serie de condensadores y cuya energía almacenada es liberada a un circuito detonador. Detonación - Reacción explosiva que consiste en la propagación de una onda de choque a través del explosivo, que va acompañada de una reacción química que proporciona la energía para mantener la propagación de la onda de choque de una manera estable y que es seguida por la formación de gases y una expansión de la presión. Diámetro crítico - Diámetro mínimo de una carga explosiva con la cual todavía se produce la detonación. Dinamitero - Pieza de metal que conecta los dos extremos de los alambres del detonador a fin de prevenir que las corrientes desviadas o vagabundas provoquen la detonación accidental de la cápsula. El acto de puentear deliberadamente cualquier parte de un circuito de voladura eléctrico. Disparo - En una voladura, es el acto de iniciar una reacción explosiva. Elemento retardador - Aquella parte de una cápsula detonante que provoca un retardo entre el instante en que ocurre el impacto de la energía eléctrica en la cápsula y
el momento de la detonación de la carga principal de la misma. Ensanchamiento del fondo - Más comúnmente denominado cuarteamiento . Es el proceso de ensanchamiento de una porción de un barreno (normalmente el fondo) por medio de la detonación de una serie de pequeñas cargas explosivas. Escollera - Roca de gran tamaño utilizada para la estabilización de las orillas de un río, presas, etc. a fin de reducir la erosión provocada por el flujo del agua. Espaciamiento - En las voladuras, es la distancia que existe entre las perforaciones o las cargas de una hilera. Estera - Utilizada para cubrir un tiro a fin de contener el material proyectado; generalmente se fabrica de alambre tejido, goma o cintas transportadoras. Estratificación - Planos dentro de los depósitos de roca sedimentaria formados por la interrupción de la sedimentación. Explosión - Proceso termoquímico en el cual mezclas de gases, sólidos o líquidos reaccionan generando casi instantáneamente presiones gaseosas y una liberación repentina de calor. En este proceso siempre debe haber una fuente de ignición y debe alcanzarse un límite adecuado de temperatura para iniciar la reacción. Considerado desde el punto de vista técnico, una caldera puede reventar, pero no puede explotar. Explosivo - Cualquier mezcla química que reacciona a una velocidad elevada para liberar gas y calor, provocando así enormes presiones. La distinción entre explosivos rápidos o altos explosivos y explosivos lentos o no detonantes considera dos aspectos: los primeros se diseñan para detonar y contienen al menos un componente explosivo instantáneo, mientras que los lentos siempre deflagran y no contienen elementos que
puedan explotar por sí mismos. Tanto los explosivos rápidos como los lentos pueden iniciarse por medio de una cápsula detonante N.° 8 a diferencia de los agentes explosivos que no pueden iniciarse de esa forma. Factor de carga - Término utilizado para describir la masa de explosivo utilizada para romper una unidad de volumen o de peso de roca. Factor de esponjamiento - Relación entre el volumen de un material en su estado sólido y el volumen cuando está fragmentado. Falla de voladura - Carga o parte de una carga que por cualquier razón ha fallado en detonar como estaba planeado. Todas las fallas de voladura deben considerarse como extremadamente peligrosas hasta que se ha determinado la causa de la falla. Filón - Estrato o capa de mineral. También un plano de estratificación en un depósito de roca sedimentaria. Fractura - Literalmente la ruptura de la roca sin remoción de los fragmentos partidos. Fractura fuera de la línea de barrenos Roca fragmentada más allá de los límites de la última hilera de perforaciones. Fragmentación - Grado de rotura de la roca en fragmentos pequeños producto de la voladura primaria. Frente - Extremo de una excavación hacia la cual va progresando el trabajo o la última que se ha hecho. También se denomina frente a cualquier superficie de roca expuesta al aire. Galería de - Galería casi horizontal que va desde la superficie y que permite entrar a una mina subterránea, por oposición a un túnel. Galvanómetro - Dispositivo que contiene una batería de cloruro de plata y utilizado para
medir la resistencia en un circuito de voladura eléctrico. Grado - En una excavación, esta magnitud especifica la elevación del piso del camino, riel, cimientos, etc. Cuando se tiene un valor en porcentaje o una expresión en grados, se refiere al desnivel o a la inclinación en relación a una distancia horizontal unitaria para una zanja, camino, etc. Graduar significa nivelar las irregularidades del suelo a un nivel prescrito. Grietas - Planos dentro de las masas de roca a lo largo de los cuales no hay resistencia a la separación y a lo largo de los cuales no ha habido un movimiento relativo del material a ambos lados de la fractura. Aparecen en conjuntos donde los planos son generalmente perpendiculares. Las grietas, al igual que la estratificación, se denominan a menudo separación. Impedancia acústica - Expresión matemática que caracteriza a un material según sus propiedades para transferir energía (el producto entre su densidad y su velocidad del sonido (pV)). Iniciación - Acto de detonar un alto explosivo por medio de un dispositivo mecánico o por otros medios. Interrupción - La parte de una columna de explosivos que no ha logrado detonar debido a un puente o a un cambio de la formación rocosa inducido por un sistema de retraso inapropiado. Mol - Unidad utilizada en tecnología química igual al peso molecular de una sustancia expresada en gramos. Orientación - Rumbo de un filón o curso de afloramiento de una capa inclinada o de una estructura geológica en una superficie nivelada. Oxidante
- Proveedor de oxigeno.
Pila de roca volada - La pila de material fragmentado o los escombros generados al excavar y que deben ser cargados para su retiro. Piso - Parte inferior horizontal, o casi horizontal, de una excavación sobre la cual se camina o se realiza el transporte. Pólvora - Término utilizado para describir la masa de explosivo utilizada para romper una unidad de volumen o de peso de roca. Potencia - Contenido de energía de un explosivo en relación a igual cantidad de dinamita de nitroglicerina. Potencia por volumen - Es la potencia de un explosivo en relación con el mismo volumen de un explosivo estándar, generalmente ANFO. Precorte - Alivio de tensión que involucra a una sola hilera de perforaciones, hecha a lo largo de una línea de excavación estructural, en el que la detonación de los explosivos insertos en la perforación provoca un corte de la red de roca ubicada entre ellas. Los barrenos de precorte se disparan antes que las perforaciones de producción. Prematura planeado.
- Carga que detona antes de lo
Presión de detonación - La presión dentro de la zona de reacción primaria que está delimitada por el frente de choque y el plano de Chapman-Jouguet (plano C-J). Puente - En un barreno es el punto donde se rompe la continuidad de una columna de explosivos, ya sea por una colocación incorrecta, como en el caso de agentes explosivos vertidos o de tipo slurry, o donde una sustancia extraña ha tapado el agujero. Sensibilizador - Ingrediente utilizado en los componentes de explosivos para facilitar
la iniciación o la propagación de las reacciones. Serie - Grupo o conjunto de barrenos que constituye un corte completo en un frente de avance subterráneo, túneles, etc. Sismógrafo - Instrumento que mide y proporciona un registro permanente de las vibraciones del suelo inducidas por terremotos, voladuras, etc. Sobrequiebre - Fragmentación excesiva de la roca más allá del límite de excavación deseado. Subtaladrar - Taladrar barrenos más allá de la rasante planificada o bajo el nivel del suelo. Suelo endurecido - Arcilla que contiene bloques o capas de grava. Generalmente se ubica a unos cuantos pies bajo la superficie y de forma tan aglutinada que es necesario volarla o romperla para poder excavar. Taco - Material inerte, tal como las virutas del taladro, utilizado en la boca (o en cualquiera otra parte) de una perforación con el objeto de confinar los gases generados por la explosión. También la extensión del barreno que se ha dejado sin carga. Tajo abierto - Operación de superficie destinada a la extracción de minerales metálicos, carbón, arcilla, etc. Talud - Expresión que se utiliza para definir la relación entre la elevación vertical o altura y las distancias horizontales al momento de describir el ángulo que forma un banco o el frente de un banco en relación a la horizontal. Por ejemplo, un talud de 1 -1/2 a 1 significa que hay una elevación de 1 -1/2 pie de ascenso por cada 1 pie (0.3048 m) o distancia horizontal. Techo - El techo o la parte superior de una abertura subterránea. También se utiliza para
denominar al mineral ubicado entre un nivel y la superficie o entre dos niveles. Velocidad de detonación - La medida de la velocidad a la que se desplaza la onda de detonación a través de un explosivo. Voladura - Operación que consiste en el desgarre (fragmentación) de la roca mediante el uso de explosivos. Como sinónimo de voladura también se utiliza el término tiro. Voladura amortiguada - Técnica que consiste en hacer un tiro de una línea única de perforaciones a lo largo de una línea de excavación estructural para cortar la red existente entre los agujeros que se han perforado a muy poca distancia entre sí. Se dispara después que se ha realizado el tiro de producción. Voladura primaria - Voladura principal realizada para mantener la producción. Voladura secundaria - Es la que se realiza utilizando explosivos a fin de desintegrar las masas de roca de grandes dimensiones resultantes de la voladura primaria; rocas que, por lo general, son demasiado grandes para un manejo fácil. Voladura sin perforación - También denominada como voladura con adobe o parche Carga de explosivo disparada en o con la superficie de una roca después de cubrirla con una capa de lodo, tierra mojada o una sustancia similar. En este caso no se utiliza ninguna perforación. Voladuras coyote - La práctica de perforar barrenos (túneles) en el frente rocoso, a los pies del yacimiento, de forma horizontal. Se utiliza donde no resulta practico perforar verticalmente.
Revisión 1
Las preguntas de selección múltiple han sido diseñadas para que revise su comprensión del material abarcado en las sesiones anteriores. Las selecciones de pierden cada vez que abandona la página de revisión. Cada vez que regrese a esta página, encontrará una nueva selección de preguntas. Esta revisión está actualmente configurada en modo de práctica. Para optimizar su experiencia de aprendizaje, debe registrarse para certificación antes de ingresar al curso. La certificación, hace un seguimiento de sus respuestas a las preguntas de selección múltiple de la revisión y le permite generar reportes y enviar su puntaje para completar el proceso de certificación. Si ya se encuentra registrado y ha sido aprobado para certificación, entonces debe Salir y volver a entrar antes de proseguir. Las preguntas que aparecen a continuación tienen una o más respuestas correctas. Al marcar una respuesta, ésta se muestra inmediatamente como correcta o incorrecta.
Q1. ¿Cuál de los siguientes mecanismos de fragmentación de roca se atribuyen al componente de choque de la energía liberada por un explosivo? La fragmentación de corte a lo largo de las grietas.
La ruptura por flexión.
El movimiento relativamente radial.
La trituración.
La liberación de carga.
La extensión de las grietas por la presión de los gases.
El desprendimiento.
Q2. Los factores involucrados en el diseño de una voladura que influyen en el grado de fragmentación de una roca incluyen: El grado de confinamiento de las cargas en un barreno.
El nivel de subtaladrado en los barrenos.
El nivel de precorte realizado antes de una voladura.
El acoplamiento de cargas dentro de los barrenos.
El volumen de roca entre el barreno y el frente libre.
La secuencia de la voladura.
Q3. Las propiedades de una roca intacta que son relevantes para el diseño de una voladura incluyen: Las constantes elásticas.
La resistencia a la compresión.
La densidad o densidad relativa.
La fragmentación.
La resistencia a la tensión.
La velocidad de la onda de presion (P).
La densidad de la fractura.
Q4. Las técnicas para las voladuras de control de paredes incluyen: Las voladuras de gran proyección.
La perforación en línea.
El precorte.
La voladura amortiguada.
Las voladuras de hundimiento.
Las voladuras controladas.
Q5. El término «voladura coyote» alude a: Un método de control de pestes practicado en las regiones
occidentales de Estados Unidos. La práctica de perforar barrenos horizontalmente en la base de un
frente rocoso. El proceso de extensión de la base de un barreno por medio del
disparo de una serie de pequeñas cargas de explosivo.
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