1. No category

~
~
Capítulo 18
~
t
CARACTERIZACION DE LOS MACIZOS ROCOSOS PARA
EL DISEÑO DE LAS VOLADURAS
~
~
-
~ 1. INTRODUCCION
~
Las propiedades de los macizos rocosos que influyen más directamente en el diseño de las voladuras
son:
t
.
-
Resistencias
dinámicas
-
Espaciamiento y orientación de las discontinuida-
-
des.
Litologías y potencias
nes sedimentarias.
. --
Velocidades
Propiedades
,-
Tipos de relleno y apertura de las discontinuidades.
Indices de anisotropía y heterogeneidad
de los macizos, etc.
~ -
ya que las probetas
ensayadas
no suelen
incluir las
discontinuidades
y los cambios litológicos del macizo
rocoso del que proceden. Para obtener una muestra
representativa sería necesario
que
tuviera unas dimen-
,
~ siones diez veces mayores que la distancia media entre
discontinuidades.
No obstante, constituyen un complemento en la caracterización de los macizos rocosos
que se desean fragmentar.
En la actualidad, las técnicas de caracterización
geomecánica
más aplicadas son:
.
.
-
Sondeos, ~on recuperación
geomecanlcos.
.
.
.
.
.
~
Perfiles de sísmica de refracción.
-
Diagrafías geofísicas de sondeos de investigación.
-
Diagrafías geofísicas
-
Toma de datos y tratamiento durante la perforación
de los barrenos de producción.
2.
0-25
25 - 50
50 - 75
75 - 90
90 - 100
de producción.
REALlZACION DE SONDEOS CON RECUPERACION DE TESTIGO V ENSA VOS
GEOMECANICOS
de testigo
y ensayos
A partir de los testigos
recuperados
en los sondeos
más exten(Rock auality Designation,
se puede aplicar una de las clasificaciones
didas, conocida
por R.a.D.
Deere 1968) que se define como el porcentaje de la
longitud de testigo recuperado en trozos mayores de
10 cm respecto de la longitud de sondeo. Tabla 18.1.
Además, sobre esos testigos puede realizarse el ensayo geomecánico
de Resistencia Bajo Carga Puntual
«15»,bien sea en posición diametral o axial, para estimar la Resistencia a la Compresión Simple «RC».
RC (MPa)
'"
24
.
1, (50) (MPa)
Borquez (1981) determina el Factor de Volabilidad
«Kv», de la fórmula de Pearce, para el cálculo de la
Piedra, a partir del R.a.D. corregido por un Coeficiente
de Alteración que tiene en cuenta la Resistencia de las
en función de la apertura de éstas y
Discontinuidades
el tipo de relleno, Fig. 18.1 Y Tabla 18.2.
TABLA 18.2
TABLA 18.1
R.a.D.
en barrenos
de propagación de las ondas.
elásticas de las rocas.
. directos,
La determinación de estos parámetros por métodos
o de laboratorio, resulta muy difícil y costosa,
.
de los sistemas de disconti-
-
de las rocas.
de los estratos en formacio-
Estudios estructurales
nuidades.
CALIDAD DE LA ROCA
RESISTENCIA DE LAS
DISCONTINUIDADES
FACTOR DE
CORRECCION
Muy mala
Mala
Media
Buena
Excelente
Alta
Media
Baja
Muy baja
1.0
0.9
0.8
0.7
227
1.6
La compañía Steffen, Robertson and Kirsten Ud.
(1985) utiliza para calcular el consumo específico de
explosivo, en las voladuras en banco, varios parámetros
geomecánicos entre los que se encuentran el R.Q.D., la
Resistencia a la Compresión Simple (MPa), los ángulos
de Fricción Interna y Rugosidad de las discontinuidades
y la Densidad (tlm3). Fig. 18.2.
Este procedimiento es de los pocos que tiene en
cuenta el efecto del diámetro de los barrenos (mm) o
distribución espacial del explosivo sobre el consumo
específico de éste en la voladura.
15
lA
13'-
y = Q + b In X
12
"
.1-" I
~
"'6'
10
'c><?>
Q
::;
iD
0.9
~
08
<t
--'
.
lO (f?
ODf;:;
3.
W
Q
0.7
'"
O
....
"<t 0.6
CARACTERISTICAS
DISCONTINUIDADES
DE LOS SISTEMAS
Las principales informaciones
cuantitativas
pueden registrar de las discontinuidades son:
le
DE
que se
05
-
QA
-
0.3
CALIDAD OF LA ROCA
0.2
00
1
I
I
1
1
I
I
í
I
10
20
30
40
50
MUY M"LA
0.1
O
MAL"
MEDIA
BUENA
Figura
18.1.
= RQD
x FACTOR
Factor
indice
DE
EXCE-
¡LENTE
I
I
I
,I
60
70
80
90
DESIGNACION DE LA CALIDAD DE LA ROCA EQUIVALENTE
RQDE
!
-
100
- RQDE (%)
-
CORRECCION
de vo/abilidad
de calidad
(Kv) en función
del
-
RQOE.
Orientación (buzamiento, definido por la dirección de
su inclinación y el propio valor de ésta).
Espaciamiento
(distancia perpendicular
entre discontinuidades adyacentes).
Persistencia (longitud de los segmentos observables
de las discontinuidades).
Rugosidad
(ondulaciones
con relación al plano
medio de las discontinuidades).
Resistencia de las paredes (a compresión en los
bordes de las discontinuidades).
Abertura (distancia entre los dos bordes de la discontinuidad).
1200
./
1100
/
~
6, 1000
/
o
LL 900
Z
""
~
./
800
/"./
/
./"
o
u
¡¡: 700
U
w
"tG 600
./"
VV
.//
o
:o->
::J 500
UJ
Z
o
u 400
/
/
V
300
./
200
100
V
./"
/
/"
/
/
0,02
0,04
0,06
0,1
0,2
0,4
0,6 0,8
4
I
6
8
10
20
40
60
80 100
200
400
x= DENSIDADx TAN(0+i)xVRc
x(DIAMETRO BARRENO/lOd
(115-RQDJ/3,3
Figura
-
Cálculo
del Consumo
Específico
de explosivo
en función
Relleno(existenciao no de algúnmaterialintercala-
-
-
18.2.
do entre los dos bordes).
Percolación (ocurrencia o no de flujo de agua en el
interior de la discontinuidad).
Número de familias (número de grupos diferentes de
discontinuidades con características comunes).
Tamaño de bloques (dimensión de los volúmenes
rocosos separados por la intersección de las discontinuidades de un macizo).
228
de diversos
parámetros
geomecánicos
del macizo
rocoso.
Las más importantes, desde el punto de vista del
arranque, son el espaciamiento y la orientación.
Las principales técnicas de registro de datos hacen
uso de «scanlines» (o líneas de muestreo) con el fin de
obtener todas esas informaciones.
A partir de los datos recogidos en los registros de
líneas de muestreo en superficies accesibles es posible
obtener representaciones gráficas de gran interés, tales
como:
-
Proyecciones hemisféricas o estereográficas, de
igual área (Schmidt-Lambert) o de igual ángulo
(Wulff).
Rosas de dirección de discontinuidades.
Histogramas de frecuencias de tamaños y de espaciamientos de discontinuidades, en su totalidad, o
separadas por familias.
Por medio de estas representaciones es posible establecer el número de familias de discontinuidades presentes en un macizo rocoso dado, así como los valores
medios y las dispersiones
de sus propiedades
más
representativas.
Complementariamente
a los levantamientos
por
medio de líneas de muestreo pueden ser efectuados
Unos sondeos orientados, con recuperación de testigos
y en los que pueden ser aplicadas las técnicas de muestreo integral (Rocha, 1967) o una inspección por medio
de cámaras de filmación (Burwell y Nesbitt, 1964).
Todas las informaciones sobre la fracturación de los
macizos rocosos pueden ser procesadas para obtener
la composición de los bloques existentes en un volumen
dado del macizo.
Para tal propósito, existen diversas técnicas de cálculo informatizadas, tales como:
-
-
-
Determinación
de los bloques unitarios, a partir del
paralelepípedo
formado por la intersección
de las
tres familias principales de discontinuidades, conocidas sus orientaciones dominantes y espaciamientos
medios (Attuvell y Farmer, 1976).
Cálculo de los volúmenes de los bloques definidos
por las intersecciones múltiples de las discontinuidades, creando una curva de distribución granulométrica (Programa COMPART, da Gama, 1986).
Estimación de la distribución de los tamaños de los
bloques, por medio de representaciones
ficas (Villaescusa y Brown, 1991).
estereográ-
Un indice que suele obtenerse con frecuencia es el
conocido por "Volumetric Joint Count, J." que se
define por el número total de juntas por metro cúbico,
obtenido al sumar las juntas presentes por metro para
cada una de las familias existentes.
Según la orientación
de esas juntas, los bloques
conformados
in-situ presentarán
diferentes
geometrías, afectando doblemente a la fragmentación
de la
voladura y a la dirección de salida más útil de la pega.
En la figura 18.3 se estima el volumen aproximado de
los bloques a partir del Jv Y de la relación de las tres
aristas características de los mismos.
~~~
ul;¡1'3" ,'o
~,-.,.
~",\~11212
r=~,
¡
~
100
-s .0
o
~
o
~
e
\
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'o
o
.
,
- 30
~
S
a
3o
I
> .~
I
...
O.'
!
0,0'
....
...
,
,
"'M<IIOTOTAL
.. """"'.
Un intento por considerar las discontinuidades estructurales en el sistema de diseño de las pegas es el debido a Ashby (1977), que relaciona la frecuencia de fracturas y la resistencia al cizallamiento de las mismas con
el consumo específico de explosivo, Fig. 18.4.
ESPECIFICO'
OMA
A-To.
CONSUMO ESPECIFICO o 0.56
(0.;)
V~::¡~~~~ONDE
..
A0
i
.
DENS'DAD
DE LA ROCA
ANGULODE FRlce'ON 'NTERNO
ANGULO DE RUGOS'DAD
Mi .." M
masivos
grandes
tamaño medio
pequeños
muy pequeños
Para Jv < 4,5 , R.a.D.
""" ~'M
Estimación del volumen de los bloques in situ.
Figura 18.3.
'Po' 2,5
/m'
Figura 18.4.
= 115 - 3.3 Jv
(J
.
DEL MACIZO
La relación entre el índice «Jv" y el «R.a.D." es, de
acuerdo con Palsmtrom (1974), la siguiente:
R.a.D.
LtJ
,-.-.
-.
3 I '00
i '0
CARACTERISTICAS
> 30
.,".
i 'GO
(Ko- ANFO/m')
-3
- 10
,
;. ,,
M"M
1
3
10
'(¡o0,
*:;';1;*
TABLA 18.3
Bloques
Bloques
Bloques
Bloques
Bloques
v'~r
I
ANFO
<1
,.,LV
"
~,"
L
CONSUMO
Jv
W
13,'
~",
~
= 100
FRECUENCIA DE FRACTURACION
( F 'octUnI' I me'nI)
Correlación entre la frecuencia de fracturación y
el consumo específico de explosivo.
229
Lilly (1986, 1992) ha definido un Indice de Volabilidad
"BI» (Blastability Index) que se obtiene como suma de
los valores representativos de cinco parámetros geomecánicos.
De las numerosas experiencias
llevadas a cabo en
Australia se ha llegado a la conclusión de que el Factor
de Roca del modelo Kuz-Ram de Cunninghan
(1983)
puede obtenerse multiplicando
"BI» por 0,12.
BI = 0,5 (RMD + JPS + JPO + SGI + RSI)
Este índice se aplicó por primera vez en las minas de
hierro de Pilbara, donde existen rocas extremadamente
blandas con un valor de BI = 20 Y también rocas masivas muy resistentes con un valor BI = 100, que tienen
una densidad de 4 t/m3.
En la Tabla 18.4 se indican los factores
ción de cada uno de los parámetros.
1.
2.
W
0.4
-,
U'"
0,3
de pondera-
CALlFICACION
~:I!
[3~
o
:¡;
::>
Descripción del Macizo
Rocoso (RMD)
1.1. Friable/Poco consolidado
1.2. Diaclasado en bloques
1.3. Totalmente masivo
10
20
50
Espaciamiento entre Planos
de Juntas (JPS)
2.1. Pequeño « 0,1 m)
2.2. Intermedio (0,1 a 1 m)
2.3. Grande (> 1 m)
10
20
50
Cf)
z
o
u
1.5
<f
i5
a::
w
z
1,0 w~
w""
o' ...,
a:::¡;
o~
0.5 1U
0,2
0,1
it
o.
o
I
de Juntas (JPO)
3.1. Horizontal
3.2. Buzamiento normal al frente
3.3. Dirección normal al frente
3.4. Buzamiento coincidente
con el frente
I
Figura
DE
VOLABILlDAD
18.5. Cálculo de Consumos Específicos
o Factores
de Energía a partir del In dice de Volabilidad.
Ejemplo:
Considérese una pizarra ferruginosa, blanda e intensamente laminada con una disposición horizontal a subhorizontal a la que le corresponde los siguientes valores:
10
20
30
RMD
JPS
JPO
SGI
RSI
40
Influencia del peso específico
(SGI)
SGI = 25.SG 50 (donde SG
es el peso específico en t/m3)
ló8
50
INDICE
3. Orientación de los Planos
4.
0.5
o
o
u
¡¡::::
TABLA 18.4
PARAMETROSGEOMECANICOS
o
U.
Z
<f
=
=
=
=
=
15
10
10
10
1
La suma total es igual a 46, por lo que el índice de
volabilidad es BI
El Ratio de Influencia de la Resistencia
"RSI» se esti-
=:
23.
De la Fig. 18.5 se obtiene un consumo específico de
O,1 kg/t.
ma a partir de la expresión:
RSI = 0,05 . RC
donde:
RC = Resistencia
a la compresión
simple (MPa).
Los Consumos Específicos de explosivo "CE» o los
Factores de Energía "FE» se calculan con la Fig. 18.5
o las expresiones
CE (kg ANFO/t) = 0,004 x BI
FE (MJ/t)
230
= 0,015 x BI
ó
Ghose (1988) también propone un sistema de clasificación geomecánica de los macizos rocosos de minas
de carbón para el cálculo de los consumos específicos
de explosivo en voladuras a cielo abierto. Los cuatro
parámetros que se miden se indican en la Tabla 18.5.
El valor obtenido se corrige para tener en cuenta las
condiciones de realización de la voladura. En la Tabla
18.6 se indican los diferentes valores que se utilizan.
A partir de las experiencias llevadas a cabo en 12
minas de carbón a cielo abierto estableció la correlación
TABLA
18.5
PARAMETRO
1.
RANGO DE VALORES
Densidad
Ratio
2.
2,0 - 2,3
2,3 - 2,5
>2,5
15
12
6
4
0,4 " 06
0,6 - 2,0
>2,0
20
12
8
2 - 4
4 - 6
>6
0,2
35
Orientación de los planos de discontinuidad
Ratio
. 0,4
25
<1
Indice de resistencia bajo carga puntual (MPa)
Ratio
4.
1,6 - 2,0
20
< 0,2
Espaciamiento entre discontinuidades (m)
Ratio
3.
1,3 - 1,6
1
-
2
25
20
15
8
5
Buzando
hacia el
frente
Rumbo con
ángulo
agudo con
respecto
al frente
Rumbo
normal
al
frente
Buzando
contra
el
frente
Horizontal
20
15
12
10
6
entre los índices de volabilidad y los consumos específicos de explosivo, siendo el explosivo patrón o de referencia un hidrogel con una velocidad de detonación de
3.800 mis.
Broadbent (1974), Heynen y Dimock (1976), que relacionaron el consumo específico de explosivo con la
velocidad sísmica de propagación.
Fig. 18.6.
TABLA 18.6
FACTORES DE AJUSTE
1.
Esbeltez
Longitud
Longitud
Longitud
del
del
del
del
~
O
banco
barreno/Piedra>
2
barreno/Piedra < 1,5
barreno/Piedra 1,5-2
O
-5
-2
(f)
W
0.2
MALA
FRAGMENIrAC/ON
0.1
o
o
1.000
2.000
VELOCIDAD
CONSUMOESPECIFICO
DE EXPLOSVO
(kg/m')
0,2
0,3
0,5
0,6
0,7
o
U
lJ..
(3
W
o-
:::;;
=>
(f)
z
o
u
TABLA 18.7
80-85
60-70
50-60
40-50
30.40
o
lJ..
'"
-5
libre
INDICE DE VOLABILlDAD
,
0.3
Z
<:(
Grado de confinamiento
Muy confinada
Razonablemente
2.
VALOR
-
0,3
0,5
0,6
0,7
0,8
4. SISMICA DE REFRACCION
La.s primeras aplicaciones de la sísmica de refracción al diseño de voladuras fueron llevadas a cabo por
Figura 18.6.
Como
3.000
SISMICA
4.000
Vs
5.000
(mis)
Correlación entre velocidad sismica y consumo
especifico
de explosivo.
puede observarse, conforme aumenta la velo-
cidad sismica se requiere una mayor cantidad de energía para una fragmentación
satisfactoria. Es ampliamente conocido el criterio de acoplamiento de impedancias (Velocidad de propagación en la roca x densidad de la roca = Velocidad de detonación x densidad
del explosivo) en el intento de maximizar la transferencia. de energía del explosivo a la roca.
Este método ha tenido gran éxito en diversas explotaciones donde se han llegado a reducir los costes de
perforación y voladura
hasta un 15%.
231
5. TECNICAS
GEOFISICAS
INVESTIGACION
DE SONDEOS
DE
DENSIDAD
\
\
La realización de sondeos de investigación con o sin
recuperación de testigo para proceder a su testificación geofísica tiene los siguientes inconvenientes:
GAMMA
NATURAL
CALIBRE
I
I
\
1
f,
1
\
'1
1
Tiempo invertido importante y coste elevado.
Equipo de perforación y testificación adicional.
ROCA
DE
r
¡
DUREZA MEDIA
Por ello, este procedimiento no es usual en las explotaciones, salvo en zonas donde vayan élconstruirse
instalaciones
importantes:
plantas de tratamiento,
parques de almacenamiento, etc., o en aquellos casos
donde la instrumentación
está infrautilizada y puede
emplearse con otros fines, como es el de arranque de
rocas con explosivos.
{
f
1,
r
j
~.
"\
1
(
-{
~
~
¡j
r
r
§
f
:f
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,!
~
" d
i
,f
Figura 18.7. Ejemplo de diagraflas obtenidas y distribución de cargas de explosivo en presencia de un nivel de
roca dura (Hagan y Gibson).
TABLA 18.8
VELOCIDAD
6. TESTIFICACION DE LOS BARRENOS DE
PRODUCCION
SONICA
(mis)
< 1.500
Este procedimiento es relativamente simple, rápido y
seguro, ya que se estudia la totalidad de la voladura y
sólo requiere la inversión en el equipo de testificación.
Los avances tecnológicos que se han producido en
la fabricación de aparatos de testificación permiten
determinar actualmente:
-
La posición de estratos de material blando, como
capas de carbón o intercalaciones
de materiales
alterados.
-
Variaciones en la resistencia de las rocas, y
El espaciamiento de juntas y planos de disconti-
-
Ripado fácil. Excavación de estratos sin
volar, algo difícil para dragalinas, excavadoras o rotopalas.
2.000 - 2.500
Ripado algo costoso. Voladuras lig&ras
(e. g. grandes esquemas, grandes
longitudes de retacado, bajos consumos
específicos) pueden ser necesarias para
las grandes dragalinas, excavadoras o
rotopalas.
2.500 - 3.000
Se precisan voladuras
> 4.500
de testificación
-
Velocidad sónica.
-
Densidad.
más usuales
Estratos excavables
por mototrailIas, grandes dragalinas, excavadoras o
rotopalas sin voladuras.
1.500.2000
nuidad.
Los métodos
CARACTERISTICAS DE LA EXCAVACION
son:
7.
ligeras.
Se precisan voladuras fuertes
(e. g. esquemas de perforación cerrados,
pequeñas longitudes de retacado, altos
consumos específicos).
CARACTERIZACION
DEL MACIZO
DURANTE LA PERFORACION
BARRENOS
COSO
-
Radiación
-
Calibre.
natural.
Existen en la actualidad aparatos que se han desarrollado para determinar el rendimiento de la perforación. Por ejemplo, el sistema Empasol, fabricado por la
empresa
francesa
Soletanche,
el norteamericano
G.L.I., etc.
En la Fig. 18.7 pueden verse las respuestas obtenidas
en una formación con una intercalación dura.
Actualmente, hay pocos datos disponibles para correlacionar los valores obtenidos en las diagrafías con las
características de la excavación. No obstante, Hagan y
Gibson (1983) establecieron, basándose en su experiencia, la clasificación de la Tabla 18.8.
232
RODE
La utilización
-
de estos sistemas
Evaluar el rendimiento
perforación
utilizado.
permite:
del equipo
y método
de
-
Ayudar a la planificación minera.
Detectar fallos en la perforadora y el manejo inadecuado de la máquina, y
Constituye una herramienta de investigación, tanto
en la optimización de la perforación Fig. 18.8, como
en la detección de pequeñas variaciones en las
propiedades de las rocas.
Tr = Par de rotación:
Nr = Velocidad de rotación.
VP = Velocidad de penetración.
b) Indice del grado de alteración
lA = 1 + !..
Eo
VP
VPo
donde:
E = Empuje sobre la boca de perforación.
VP = Velocidad de penetración.
Eoy VPo= Valores máximos de E y VP.
"70
c) Indice de resistencia del terreno a la perforación
IR
= Ex~
VP
Figura 18.8. Efecto del empuje y la velocidad de rotación
sobre el coste de perforación.
donde:
Este sistema es el más interesante ya que la inversión
a realizar es pequeña y permite obtener los datos durante la propia perforación.
Los registradores pueden controlar diversas variables entre las que destacamos:
-
Presión del aire comprimido.
-
Par de rotación.
-
Empuje sobre la boca.
Velocidad de rotación.
-
Velocidad instantánea de penetración.
Vibraciones en el mástil.
-
Esfuerzos de retención de la sarta de perforación.
Aceleración producida por la energía reflejada por
el terreno, y
Tiempo de perforación.
-
Los valores registrados permiten obtener una imagen completa de la respuesta del terreno. Algunos índices que se utilizan en la actualidad son los siguien-
tes:
"
a) Indice de energía de rotación
IE=~Nr
donde:
VP
E = Empuje sobre la boca.
Nr = Velocidad de rotación.
VP = Velocidad de penetración.
Los parámetros más interesantes son lavelocidad de
penetración y el par de rotación. 'En rocas con alta
resistencia a la compresión se obtendrán velocidades
de penetración pequeñas y los pares de rotación serán
relativamente altos, salvo que exista un espaciamiento
de fracturas pequeño en comparación con el diámetro
del barreno.
Cuando se atraviesa una capa de arena, arcilla, roca
muy alterada o fisurada, la velocidad de penetración
aumentará y se precisará un par de rotación bajo,
siempre que el caudal de aire sea suficiente para evacuar adecuadamente los detritus. El empuje y el par de
rotación se combinarán para obtener el rendimiento
óptimo.
Cuando se realiza la perforación de estratos con
resistencias muy variables, se observarán variaciones
importantes de la velocidad de penetración. Fig. 18.9.
Este tipo de registro reflejará:
-
La facilidad relativa con que la roca va a.ser fragmentada en la voladura, y
La distribución de explosivo correcta para obtener
unos resultados óptimos.
A continuación, se analizan los campos de aplicación de esta técnica en distintos tipos de yacimientos.
233
-
,,~c~ ~,,~,-,c"'~"'~
Los gases se expandirán
deformable, y
RETACADO
~
j
CARGA
ROCA
DURA
~¡
""-
rápidamente
hacia la zona
La caída rápida de la presión del gas en la capa
competente
provocará una mala fragmentación,
escaso esponjamiento y desplazamiento
de la pila.
¡
La colocación de un retacado en el nivel blando,
evita el descenso brusco de presión y el dispendio
subsiguiente de la energía de la explosión.
CARGA
RETACADO
ESTRATO
VELOCIDAD DE
PENETRACION
Figura 18.9.
7.1.
Formaciones
Yacimientos
con resistencias
y Reid).
variables
SLAN
~EXPLOSIVO
RETACADO
INTERMEDIO
DO
-----
(Hagan
EXPLOSIVO
de carbón
En los yacimientos
de carbón, el recubrimiento
Figura 18.11 Localización del techo de la capa de carbón y
empleo de retacados intermedios al nivel de una intercalación blanda.
está
constituido normalmente por estratos que tienen resistencias muy variables y por ello, esta técnica de
monitorización tiene un futuro muy esperanzador.
Los datos que se obtienen de las diagrafías son:
-
Los espesores
resistencias.
de las capas que poseen distintas
-
La profundidad
exacta del techo y muro del carbón.
Cuando un estrato competente yace bajo una zona
alterada del mismo material o de un sedimento
no
consolidado, será necesario cargar sólo el tramo inferior por debajo del contacto. Fig. 18.10.
7.2. Yacimientos metálicos
En este tipo de explotaciones se pueden dar los
siguientes casos:
a) Voladuras en el contacto estéril-mineral.
En la Fig. 18.12 se ve un tajo de voladura que contiene estéril de resistencia media, mineral alterado y
mineral de alta resistencia.
FRENTE
SEDIMENTOS
. . .
. . .
ESTERIL
. .
BLANDOS
RICOS EN ARCILLAS
.
. . \\.\ . . . .
,
. . . \. . . .
\ MINERAL
. MINERAL
. . .J.
. DURO
.
BLANDO /
e
e
e Ile
. .
Figura18.12.
Voladura en un tajo con tres materiales de
caracteristicas diferentes (Hagan y Reid).
ESTRATO
COMPETENTE
CAPA
Figura 18.10.
Distribución de carga en estrato duro con zona
de alteración (Hagan y Reid).
Donde existe un estrato potente de material blando o
muy deformable, por ejemplo arenas, entre otros de
roca competente, si se hace una carga continua a lo
largo de un barreno:
234
En un caso tan complejo es posible modificar el
esquema de perforación,
pero ello requeriría un reconocimiento de los contactos previo al replanteo de la
voladura. El procedimiento
más adecuado consiste en
estandarizar el esquema de perforación y modificar la
carga de los barrenos de acuerdo con un registro de la
velocidad de penetración, tal como se indica en la Fig.
18.13.
El empleo de este sistema aporta las siguientes
tajas:
-
Evita un gasto excesivo
nes blandas.
de explosivo
ven-
en formacio-
,p
f<-O
,<-'"
<)0
'Qv
«-'<-v 4'v rv«-'<-v 4'v
~""«; <,¿c:>,,«;
~'"
<,¿c:>,,<J
Q
"Q
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Z
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"o
'"
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L
J
~<)O
'Qv'<-
/
~,~
00«-0
«-,<-v
<v«-'<-v
/
~~<J
Mediante el registro continuo de la perforación se
podrán conocer los barrenos que atraviesan bolos y
determinar las profundidades
de entrada y salida de
esos bloques, procediendo a la carga espaciada y selectiva del explosivo. Fig. 18.14.
T',-/
CARGA CORRECTA
CARGA INCORRECTA
"
'
,
RETACADO
://
j
MATRIZ BLANDA
EXPLOSIVO
./
-------
_Nl"-E!--"'!'?Q-
Figura 18.13. Oiagrafla de la velocidad de penetración y
distribución de carga en los tipos de roca de la Fig. 18.12
(Hagan y Reid).
-
Incrementa el rendimiento de la fragmentación por
unidad de peso del explosivo.
Aumenta el control sobre los efectos perturbadores
de las voladuras: vibraciones, onda aérea, proyecciones, sobreexcavaciones e inestabilidad de taludes.
-
b)
Bolos dentro de una matriz blanda.
Si se tienen bolos dentro de una matriz blanda de
naturaleza plástica como la arcilla, la onda de tensión
creada en la voladura tiene una atenuación intensa en
esoS materiales.
Cuando un barreno atraviesa un bolo y en esa zona
no se dispone de explosivo, ese bloque se encontrará
después intacto en la pila de escombro,Foto 18.1,yhará
que la carga sea difícil y sea preciso realizar voladuras
secundarias.
Figura 18.14.
Fragmentación de bolos dentro de matrices de
material plástico (Hagan y Reid).
c)
Cavernas o coqueras.
Las cavernas se producen por disolución de la roca
primaria por el agua subterránea o por otros procesos.
Algunos materiales de hierro y calizas presentan cavidades de hasta quince metros, con una distribución
aleatoria.
'te,pp",""c",,¡
--------------------
\0\
,_N'!y~L_q¡o:.h.!>~,,-O_-
---EXPLOSIVO
Figura 18.15.
Sistema de carga en un barreno que intersecta
una gran coquera (Hagan y Reid).
El registro
Foto 18.1. 'Bolo de granitb dentrQ de una matriz arcillosa en
Meirama.
continuo
de perforación,
-
Localizar los barrenos
-
Conocer
permite:
que intersectan
las profundidades
los huecos.
cavidades.
de entrad.a y salida de
y a continuación proceder a:
235
-
8.
Cargar adecuadamente los barrenos que intersectan las cavidades con espaciadores.
Cargar los barrenos adyacentes con explosivos de
alta potencia para compensar la pérdida de energía
que provocan las citadas oquedades.
INTENTOS DE CORRELACION DE INDICES
DE PERFORACION CON LOS PARAMETROS DE DISEÑO DE LAS VOLADURAS
Teniendo en cuenta que la perforación de una roca
constituye un proceso de rotura de la estructura de la
misma en el que influyen numerosos factores geomecánicos, parece lógico que el diseño de las voladuras
debiera basarse en los índices de perforación.
En este sentido, se han desarrollado los siguientes
trabajos de investigación:
-
Praillet (1980).
-
Leighton (1982) con el índice "R.O.I.»
-
López Jimeno, E. (1984) con el índice «Ip».
donde:
Eh = Presión hidráulica de la perforadora.
t
= Tiempo de perforación del barreno.
L = Longitud del barreno.
La primera aplicación práctica del "R.O.I.» fue desarrollada por Little (1975), intentando correlacionar
los datos de la perforación rotativa con el diseño geotécnico de los taludes finales de las cortas.
La investigación llevada a cabo demostró una escasa
fiabilidad debido a las técnicas de registro y a la falta de
sensibilidad en cambios de litologia muy próximos.
Leighton (1982) procedió a una identificación de
las rocas existentes en la mina de Afton (Canadá)
mediante el «R.O.I.» utilizando una perforadora rotativa S.E. 40-R trabajando a 229 mm (9") de diámetro.
A continuación, hizo un estudio de correlación entre
el "R.O.I.» y el consumo específico óptimo de explosivo para las voladuras de contorno, obteniendo un
coeficiente de correlación r = 0,98. Fig. 18.16, para la
siguiente curva ajustada.
Ln(CE) -
R.O.!. - 25.000
7.200
donde:
8.1.
Praillet
CE
R. Praillet calcula la resistencia a compresión de la
roca a partir de la velocidad de penetración, empuje,
velocidad de rotación y diámetro. A continuación, mediante una ecuación de tercer grado, determina el valor
de la piedra en función de:
-
Altura de banco.
-
Densidad de carga del explosivo.
= Consumo específico (kilogramos de ANFO/
tonelada).
R.O.!. = Indice de Calidad de la Roca (kPa.min/m).
=RQI-7.20.0
25.000
Ln CCE.)
E
"c:
E
-
Velocidad de detonación
-
Longitud de retacado.
-
Resistencia
-
Constante que depende del tipo de máquina de
carga empleada: excavadora de cables o dragalina.
del explosivo.
8o
a la compresión.
7..000
a::
~
~
o
01
..-
-
EhL
t
.
5..0.00'
2.26.0 .
.o
A BUENas
.
RESULTADas
o DIFICULTAD EXCAVAClaN
PRaYECClaN
EXCESIVA y
saBREEXCAVAClaN
.0.02
.0..04
.0..06
.0..08
CONSUMO ESPECIFICO-ANFO CKg/t)
Figura 18.16.
R.
11.
--1
~
U 4.000.
w
o
w
S2 3.000'
o
Z
Indice R.a.!.
Mathis (1975) propuso un índice
"R.O.I.» (Rock Ouality Index):
o
--' :5 6.0.0.0
e w
a:: o
La ventaja de este sistema es que calcula el esquema
de perforación en función de variables conocidas de
antemano, salvo la resistencia a compresión que debe
ser estimada de datos previos.
Por el contrario, el inconveniente es que dado que la
resistencia a compresión es determinada a partir de los
parámetros de perforación, el esquema se establece
después de haber perforado algunos barrenos, por lo
que el método sólo es válido en formaciones muy homogéneas.
8.2.
o/
o 8.000
O:.::
Correlación entre el «R.Q.I.» y el consumo
específico (Leighton).
que denominó
Pero la utilización
tes limitaciones:
-
del «R.O.I.» presenta
Se emplea la presión hidráulica
~0
las siguien-
de la máquina,
por
236
4
~
~
lo que los datos utilizados
modelo de perforadora.
~
~
-
dependen
del tipo y
En el cálculo de este índice hay que tener en cuenta
que:
No interviene el diámetro de perforación.
No se tiene en cuenta la velocidad de rotación.
-
El tipo de tricono empleado sea el más adecuado
la formación rocosa que se pretende perforar.
De esta forma, los resultados obtenidos en la mina
Afton sólo son utilizables en aquellas explotaciones
donde:
-
Se disponga del caudal de aire de barrido suficiente para la evacuación correcta de los detritus de
perforación.
Se eliminen en su determinación
los tiempos
muertos de: posicionamiento
de la perforadora,
cambios de barras, etc. Es decir tomar la velocidad
neta de penetración.
.-
Se disponga de una perforadora
-
modelo S.E. 40-R,
y
.-
Se perforen barrenos de 229 mm.
Indice de perforación Ip
~
~
~
8.3.
LópezJimeno,E. (1984),teniendoen cuenta las limitaciones del «R.Q.!.» propuso un índice de caracterización de las rocas en el que se combinan los siguientes
parámetros de perforación:
VP = Velocidad de penetración (m/h).
E
Nr
~
O
= Empuje sobre el tricono (miles de libras).
= Velocidad de rotación (r/min).
= Diámetro de perforación (pulgadas).
El índice responde a la expresión:
Para la recopilación de todos los datos se. podrá
utilizar un modelo de parte como el que se indica en la
Fig. 18.17.
Como la velocidad de penetración depende de las
resistencias a compresión, tracción y cizallamiento, el
índice «Ip», que es directamente proporcional a «VP»,
contendrá implícitamente
tales características
geomecánicas, pudiéndose correlacionar con el consumo
específico o factor de energía del explosivo empleado
en las voladuras en las que se obtiene una fragmentación adecuada. Fig. 18.18.
El análisis estadístico de regresión de los datos de
numerosas minas, ha permitido establecer la siguiente
ecuación:
VP
Ip = E x Nr
02
CE (kg ANFO/m3) = 1,124 x e-O.5~2~ Ip (r = 0,92)
PARTEDIARIO DE PERFORACION
--J
w
>
Z
.
..
'"
0<1.
w<>'
If)W
d
W
0°
:'i
«o
z>
PAROS
Tiempo traslado
o
..
:g
z
"W
WW ;:¡zo
DE.. ..A
::> o'"'"
9;>
o
.. 1-" '"
'"
W zm
'"
Tiempo falta
E
.,;
2
'3
operación
de trabajo
..
PAROS
Hora exacta
arranque
reparaciones
Tiempo
espera
Tiempo
Tiempo trasLado
maquinista
Tiempo
Tiempo cambio
adaptador
Otras
<[2-
W
00
- 1.Ji6.
RELEVO'
z
0°
..!'!
;:
"..
'"
..
"
WW
PERFORABllIOAD
o¡¡; Hv
.Z'"
W
MECANICOS
Tiempo
máquina
Tiempo limpieza
o
99E
5
uuá.
'3¡:! D'
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D.U
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ul-'-2 "..
o"'E
,,"
W'"
_w .J2- f-':'-o'"
..o
OPERACION
Tiempo cambio tricDno
FECHA:
DIAMETRO'-
M AQUINA:
w
a
os SERVACIONES
8
M
O
MD
ESPECIFICACIONES AVERIAS:
de la máquona
---'-----
mecánicos
engrase
traslado
causas
m e canica
de paro
FIRMA
MAQUINISTA.
JADAS
HORAS TOTALES PARO
Figura 18.17.
Parte de perforación.
237
4
a.
......
z
Q
<.)3
«
a::
O
lJ..
a::
'.
g: 2
W
O
W
<.)
¡SI
Z
0,1
0,2
oA
0,3
Figura 18.18.
Correlación
0;5
0;6
0;7
0;8
0;9
i
CONSUMO ESPECIFICO-ANFO (Kg/m')
entre el índice «Ip" y el consumo
específico
La gama de rocas chequeada oscila entre las muy
blandas, como el recubrimiento
superficial de Puertollano, hasta las muy duras, como el pórfido cuprífero
de Palabora. Hay que señalar que la toma de datos
fundamental
se realizó en la explotación
de Meirama
con esquistos y granitos con grados de alteración muy
variables.
1;1
(L. Jimeno).
CONSUMO ENERGETICO
~
TIPOS ~X"hOSIVO-"
o PROPIEDADES
o SELECCION
La expresión anterior que liga el consumo específico
con el índice de perforación
«Ip», constituye una herramienta muy eficaz en el diseño y cálculo de las
voladuras ya que permite:
-
Determinar
el
18.19 y 18.20.
esquema
de
perforación.
OPCION ?
Figs.
I~
I~
-
Calcular la carga óptima de un barreno perforado
según un esquema
establecido.
Figs. 18.19 y
18.21. Y
-
Crear un modelo de optimización
banco. Fig. 18.22.
de voladuras
DE CARGA
I
ALTURA DE BANCO (HI
olAMETRO
DEL
!~ESQUEMA
BARRENO
DE LA ROCA
I~
ALTURA DE BANCO (HI
(011
NOMINAL (B, SI
I~PRoPIEDAoES
I
~
DIAMETRO
DEL BARRENO (DI
I
I
I
RETACAoO (TI y
SOBREPERFORACION (JI
en
CARGA POR BARRENO Qe, I
Otras posibles aplicaciones del índice Ip son:
-
Caracterización
corta.
geotécnica
de los materiales
de la
-
Diseño de taludes
-
Determinación
del diámetro de perforación
y características de la perforadora en función de:
..
.
Producción
Resistencia
de corta.
Cálculo de rendimientos
.
ESCRITURA
,
DE RESULTADO~
Figura 18.19. Cálculo de esquemas de perforación
y cargas de explosivos a partir del Ip (L. Jimeno).
a)
requerida, y
de la roca.
Como método de cálculo del esquema de voladura, tiene en cuenta los siguientes datos:
y costes de molienda.
Las ventajas que reporta la utilización del índice de
perforación «lp» en un modelo de cálculo de voladuras son las siguientes:
238
I
Geométricos
-
Altura de banco.
-
Diámetro
de perforación.
IIIIIIWIIIliIIIUIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIUlIIIIIlliIm¡¡¡;;¡;jF"""=,,,,"
~
t
------------
~
PROGRAMA
CALCULO
, -,.-- "-""--'
., -
--- ,--- ,-,---
,.-.
DISVOL
DE
ESQUEMA
------------------
t
- -- -..
---
PROGR~,MA
CALCULO
.m,
,
JD J[ ~~VDLCARGAS
DE
,..----"'-
,,~~ 0='" ,,== ==, ,=,= ==, -~=, =,= ====
===,=
=
DATOS
DATO:"
t ----311.00
15.00
0.35
DIAMETRO DE PERFORACIoN
ALTURA
DE
BANCO
_INDICE
DE PERFORACION
EXF'LOSIVOS
DENSIDAD DE CARGA (G/CC)
~ VELOC.
DETONACJON
,DIAMETRO
DE CARGA
-
,
=
(11/5)
(11. M)
DE PERFORACIoN
=
RETACADO SUPERIOR
RETACADO
INTERMEDIO= =
LONG.
LONG.
LONG.
SOBREPERFORACIoN
~
L ONG.
, LONG.
LONG.
,
CARGA
CARGA
CARGA
INFERIOR
INFERIOR
SUPERIOR
CARGA INFERIOR
E-1
E-2
E-2
(2)
0.80
4000
311.00
(M)
(M)
(M)
(m
2.48
7.22
,::,00
(1)
(M)
(1)
=
255.15
439.07
0.00
694.22
E-1
~ F'IEDRA
ESF'AC
.
Figura
~
~
~
~
~
844.02
VOLUMEN POR BARRENO
RENDIMIENTO
PERFoRACIoN
CONSUMO
~
6.99
8.04
1 AM 1 ENTO
.
~
F'e:I':1Uhi',C
me:
r~L_Tlm?\
DE Brd'KTr
Il'mICE
DE
2:2';>.00
1 CII'I
(1)
¡C-IEDW',
ESF(,C 1 1\1"1¡ ¡:X',ITU
:30f;f,[f'e:l~i-I.JHi",C
]
¡::XF'CCJ::;1
DENSIDAD
DE CARGA
VELOC.
DETONACION
(G/CC)
DIAMETRODE CARGA
(M.M)
1'1" 1'1.
15.00
3.00
B.. "jO
9. :50
l. BO
F'ET':I'UI':,"ii::IUI\1
1. 35
4700
311.00
17.48
7.7'7
0.00
:Z.4L'J
=
~ CARGA
INFERIOR
E-2
CARGA SUPERIOR
E-2
C A R G A
T o TAL
.
D1 r~11e:TFdJ
M
M.
~1.
1'1.
1'1..
(2)
(1)
0.80
1" ~X'
4500
4000
(M/S)
22'7.
229.00
00
~~:~==:'~::
~ LONGITUD
,
1'1.1'1
ESPECIFICO
18.20.
86.89
(ANFO)=
Cálculo del esquema
partir
-
Sobreperforación,
metro.
-
Retacado,
O. 'í]
(f::G)
(I<G)
(KG)
WG)
(1)
(1)
(MC)
(MC/M)
(f<e,/MC)
de la voladura a
,,
LONG.
L.UNG.
CARGA
CARGA
CARGA
CAI':13A
e 11 h
INFERIOH
INFERIOR
SUF'[f': 1 e¡¡."
G (:\
1 U
VULUMEN
POh
RENDIMIENTU
CONSUMO
Figura
18,21.
E-2
,',,3. 16
17¡;;. ~¡6
0.00
2,":1.'7::::
U:Ti)
~
(I<U)
(I«i)
1211.~::5
BARRENO
PERFOHACION
«(rI\IFD)
(I<e;)
7:~.
"',
(I"IC)
O';>
0.20
(J"ICI~I)
(VU/~1C)
Cálculo de las cargas de explosivo para
un esquema prefijado.
representativas
en la etapa
de
a una zona sin
"
Mediante la interpolación a partir de datos
recogidos en una explotación en marcha,
b)
Es el único sistema de cálculo que permite determinar la carga de explosivo por barreno, cuando
las características de la roca son diferentes a las
supuestas cuando se efectuó la perforación. Es un
primer paso para la optimización de los consumos
y selección de los agentes explosivos más adecuados para el trabajo a realizar.
c)
Es un método fiable, ya que está basado en un
análisis estadístico de una muestra amplia en el
que se ha obtenido para la curva ajustada un coeficiente de correlación próximo a la unidad, sobre
un colectivo muy variado de rocas y explotaciones.
d)
Combinado con un sistema de registro continuo
de la perforación y un microprocesador
se puede
ampliar la gama de posibilidades
de utilización,
como se ha indicado anteriormente.
Explosivo
Mediante los valores suministrados por
los fabricantes de triconos a partir de
(m
(1"1)
(1-1)
E-2
proyecto o de ampliación
datos previos.
Propiedades de la roca y del macizo rocoso
-
1.07
':;.,'1-1
1)..00
E-J
E-2
F-:::'
1 H i..
muestras
-
La determinación
del consumo específico
referido a un explosivo base como el ANFO, permite una mejor aplicación y aprovechamiento
de
esas sustancias, pudiendo expresarse en kg/m3 o
en cal/m3.
El cálculo del esquema de la voladura a partir
de la información
recogida de la perforadora
puede hacerse:
10. :,,(,
0.00
e 1
ESPECIF]
del diá-
importante y el que lo
del resto de las fórmulas
sólo consideran alguna
roca,
INFEHIOR
(1'1)
(1"1)
(11)
1",.130
ION
IOH ~
11'1"1'1
,1-:1"le:DIIJ'"'
CARGA INFEh
LONG. CARGA SUPERI
en función de «Ip».
Este es el punto más
diferencia como método
clásicas existentes que
propiedad pu ntual de la
,
L.UNGITUD
DE
LONG.
hETACADO
LIJr'jG. RETACféDU
del «/p'"
fijada en función
{,,[)U~,i
[":E~,iUL.T
239
EQUIPO
DE
PERFORACION
SELEWONADO
~"'""" ",m,," """."
"""'lO"'
"'"". "OO,"~.,,"""'"""""
'AA",","""-""""""""""'""""'""'"'"'"
CQNSUMO
DE
LA
ENERGEnDO
VOLADURA
ESQUEMA DE PERFORACION
y TECNlCA O€ VOLADURA
SIMULACION DE LA
FRAGMENTACION (MODELO)
'""~""'~'"~
",,"' ~.~, "'"' """AA'
~
EVALUACION EN CAMPO DE
LA FRAGMENTACION
~
""'"
'"".~
\(~
~"'"'-"'"'""""AA'~""'
NO
Situación
Figura 18.23.
en la perforadora.
La unidad móvil sobre la máquina está constituida por
los captado res, la CPU y el transmisor-receptor
de
radio. Parte de la información obtenida es mostrada por
el display durante la perforación, para ayudar al operador. Los datos que aparecen son:
- Profundidad actual del barreno (m)
- Velocidad de penetración (m/s)
NO
Distancia del tricono al fondo del barreno
-
Figura 18.22.
de los sensores
Estructura del modelo de optimización
de costes (L. Jimeno).
,-----------I
I
I
, ",".'
I
9.
SISTEMA DE GESTION DE DATOS DE PERFORACION EN TIEMPO REAL
.,~,.~
/
Recientemente, en la mina de carbón de Encasur en
Puertollano se ha puesto a punto un sistema de registro
de datos de operación en tiempo real de una perforadora rotativa.
,--
.
=
~
~:::.~'ir'
D
4.""",
~~"~~"~,,
~-------------
El conjunto de variables controladas es:
- Variables todo/nada:
Motor de la perforada en marcha SI/NO
. Torre abajo SI/NO
. Aire en barreno SI/NO
. Empuje en barreno SI/NO
- Variables analógicas:
. Desplazamiento de la máquina
Desplazamiento de la cabeza de perforación
Velocidad de rotación
.
..
.
Par de rotación
. Fuerza de empuje
Para la obtención de las variables anteriores de forma
automática se han dispuesto sobre la perforadora los
sensores que se indican en la Fig. 18.23.
La configuración final del sistema de gestión se muestra en el diagrama de bloques de la Fig. 18.24. La estación central está constituida por un microordenador que
dispone de monitor en color, teclado expandido e impresora, que dispone además de un interfaz para la comunicación con el radioenlace.
240
~
"",,".-'
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~,~,~,"I
" ,,-,," ,,';;,--,
'" O",,"AS
Figura 18.24.
Diagrama de bloques del sistema de monitorización y control de la perforación.
Con la información recibida en la estación central se
elaboran diversos informes: lista de paradas, partes de
relevo semanales o mensuales, etc. Además se obtienen gráficos analógicos de los barrenos en los que se
representan los sigui~ntes parámetros:
- Velocidad de rotación
- Par de rotación
- Fuerza de empuje
- Velocidad de penetración
- Energía específica de empuje y de rotación
- Energía específica total
Toda la información queda recogida en el disco duro
del microordenador, pudiendo aprovecharse posteriormente para el diseño de las voladuras, una vez caracterizados los materiales rocosos perforados.
I
I
BIBLlOGRAFIA
-
-
-
-
-
-
BROADBENT,C. D.: "Predictable Blasting with in Situ
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