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Voladuras a cielo abierto

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by

VICTOR GONZALEZ

on 9 April 2017

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Transcript of Voladuras a cielo abierto


Introducción a Técnicas de voladura
Escuela de Ingenieros Militares
Centro de Edu. Superior

Simplicidad
Las configuraciones de retardo no deben ser tan complejas como facilitar que se hagan conexiones incorrectas.
Los diseños complejos requerirán tiempo adicional para la evaluación de la secuencia y el control de las conexiones.

Costo
A medida que los diseños se hacen más complejos el costo del sistema de iniciación generalmente aumentara.
Explosivo sin reaccionar.

Detonación.
Onda de Choque a alta presión se mueve a través de la zona de reacción. Ionización explosivo.

Explosión.
Los ingredientes explosivos se descomponen y cambian a gases.

Expansión
.
Los gases a alta presión comienzan a expandirse, ejerciendo fuerzas a través de la roca, las cuales causan el rompimiento de ella.
En los explosivos detonantes la velocidad de las primeras moléculas gasificadas es tan grande que no ceden su calor por conductividad a la zona inalterada de la carga, sino que lo transmiten por choque deformándola y produciendo su calentamiento y explosión adiabática con generación de nuevos gases. El proceso se repite con un movimiento ondulatorio que afecta a toda la masa explosiva y se denomina “onda de choque”.

La energía de iniciación para los explosivos detonantes debe ser generalmente en onda de choque.


VOLADURAS REALIZADAS CON BARRENOS,
NORMALMENTE VERTICALES, EN UNA O VARIAS HILERAS, CON SALIDA HACIA LA CARA LIBRE.

MUY UTILIZADAS EN EXPLOTACIÓN MINERA DE CANTERAS DE CALIZA PARA LA INDUSTRIA DEL CEMENTO, ALGUNAS MINAS DE MATERIALES DE CONSTRUCCION Y EN MINAS DE OTROS MINERALES.
Condiciones de agua

Las masas de roca saturadas (barrenos llenos de agua) transmiten la presión del agua desde el punto de detonación hacia las zonas circundantes, esta presión puede producir el desacoplamiento de la carga explosiva o aumentar su densidad hasta el punto que éste no detone (Presión de Muerte)

Explosivos utilizados

Los explosivos de mayor densidad (>1,25 g/cc) que utilizan aire retenido para sensibilización pueden dejar de detonar por efecto de la presión de detonación de los barrenos adyacentes, se debe tener precaución al utilizar estos productos, en agua, y usar retrasos superiores a 42 ms.
Perforación de una línea de barrenos periféricos a una distancia estrecha de unos de otros

En estos barrenos no se utiliza explosivo

No son mayores a 76 mm de diámetro

La distancia entre barrenos es igual de 1 a 4 veces el diámetro del barreno

En material agrietado es posible que no se produzcan los resultados apropiados

Los barrenos de amortiguación deben ser perforados de 0,5 a 0,75 el burden de producción y deben ser cargados con solo la mitad de la carga explosiva de los barrenos de producción.

El espaciamiento de los barrenos de amortiguación será 0,75 veces el espaciamiento de los de producción.

Es eficaz cuando la roca es de estructura masiva.
Perforación en línea
Desplazamiento de la pila de material.

- La dirección del desplazamiento depende del camino que presenta menor resistencia a la energía explosiva

- La secuenciación de los retardos no compensará un diseño de voladura inapropiado.

- Con un diseño apropiado, la secuencia de retrasos puede controlar la dirección y el grado de desplazamiento.

- Intervalos de retraso cortos (< 25 ms) entre los barrenos de una fila reducirá la fragmentación, pero mejorará el desplazamiento.

- Habitualmente se requieren intervalos de retardo más largos (> 150 ms) entre las filas para maximizar el desplazamiento.

- Con frecuencia el tipo de excavadora determinara el grado de desplazamiento requerido, lo que indicará el intervalo de retardo entre las filas de barrenos.
Es de uso seguro
Son mas fáciles sus conexiones
Presenta la menor dispersión posible

Tomadas en cuenta todas estas características, se pueden realizar los diseños de disparo con resultados mas eficientes en la minería actual, tanto de cielo abierto como subterránea.
PARTICULARIDADES DEL SISTEMA DE INICIACIÓN NO ELÉCTRICO (tubo de choque)
NO-ELECTRICOS:
Emplea tubos plásticos, recubiertos internamente con una sustancia reactiva (gas de exógeno) la cual se transmite a 2.000 m/seg., tiene 3 mm de diámetro, pesa solo 5.5 g/m y posee un recubrimiento explosivo de 0.02 g/m. Ideal para voladuras silenciosas, donde hay riesgo de electricidad extraña o en condiciones de humedad, donde es dudosa la conexión eléctrica
Es una combinación de dispositivos explosivos y componentes accesorios diseñados para enviar una señal e iniciar una carga explosiva cuando ha sido adecuadamente instalada y activada desde una distancia segura.
SISTEMAS INICIADORES
Volumen del tiro (bcm/perforación) =Altura del banco x burden x espaciamiento =621
Masa del tiro (toneladas/perforación) =Volumen del tiro x dens la roca =1490
Factor de potencia (kg/ bcm) = Peso del explosivo/vol. del tiro =0,55
Factor de potencia (kg/ton) =peso del explosivo / masa del tiro =0,23
Factor de potencia (ton/kg) = masa del tiro /peso del expl. =4,4
Factor de energía (kj/ton) =(energía del explosivo por barreno x 1000)/ masa del tiro = 854
Este diseño inicial debería ser afinado mediante voladuras de prueba para ajustarlo a las condiciones existes en la masa de la roca y a los requerimientos de fragmentación. Los factores de energía deberían fluctuar entre 500 y 1250 kj/ton. con un valor promedio para la primera TRONADURA de 900 kj/ton.
3- Cálculo del factor de carga.
- Kg de explosivo por Mt3 de banco. Equivale a la densidad de carga por la longitud de la columna explosiva / Mts3 por perforación.
4 - Cálculo del factor de energía.
- Energía del explosivo por Mt3 Equivale a la energía de la carga por la longitud de la columna explosiva / por los Mts3 de perforación.
- Por tonelada de roca Equivale a la energía de la carga por la longitud de la columna explosiva / por las toneladas de material por perforación.
- Los factores de energía pueden fluctuar entre 500 y 1.250 kj/ton.
- Los diseños de voladura iníciales se pueden basar en 900 kj/ton
Es la distancia a que el barreno debe ser perforado bajo la rasante deseada, equivale a la distancia del Burden X 0,3 a 0,5.



Material inerte, colocado en el barreno sobre el explosivo, con el fin de confinar la energía. Equivale a la distancia del Burden por 0,7 a 1,3.
Si el diámetro de la carga en mm, dividido por la longitud del taco en m, es mayor que 55 se puede producir excesiva proyección y ventilación prematura.
Las rocas molidas contienen la energía explosiva, mejor que los residuos de perforación.
Los barrenos húmedos requieren un taco mayor para la contención de la energía, que los barrenos secos.
Es la distancia entre barrenos de una misma hilera, normalmente fluctúa entre 1,15 a 1,8 por la distancia del Burden.

Se obtienen resultados óptimos de distribución de energía, cuando es equivalente a la dimensión del Burden por 1,25 y el patron es distribuido en una configuración inclinada.

El agrietamiento paralelo a la cara libre puede permitir un espaciamiento mayor.
Equivale a la altura del banco dividido por el Burden.
Si este es menor a 2 la masa de roca será rígida y más difícil de fracturar, para obtener una fragmentación ideal debe ser lo más cercano a 3.
El índice de rigidez puede ser mejorado utilizando diámetros de carga inferiores o mayores alturas de banco.
Los índices de rigidez bajos requieren factores de energía relativamente mayores para producir una fragmentación uniforme.
Es al distancia entre el barreno y la cara libre más próxima.

Normalmente en metros, son equivalentes al diámetro de la carga en mm, dividido por una escala de 25 a 40.

Burden = (((ED X 2) / RD) + 1,8) x (CD / 25,4) x 0,3048

CD = Diámetro de la carga explosiva (mm)
ED = Densidad del explosivo (g/cc)
RD= Densidad de la roca (g/cc)
Para lograr una
excelente distribución
de la energía, utilizar diámetros de barreno (mm) igual a la altura del banco (m) multiplicado por 8.

El
diámetro máximo
del barreno (mm) para una altura de banco conocida, debería ser igual a la altura del banco (m) multiplicada por 15.

A medida que aumentan los diámetros de los barrenos, el costo de la perforación, la carga y explosivos, generalmente disminuyen.

Los barrenos de menor diámetro, distribuyen mejor la energía explosiva.
En las labores subterráneas:

- Desprendimiento de rocas
- Contaminación con humos tóxicos
- Vibración en estructuras de soporte en superficie
- Protección de fragmentos
- Vibración que afecte estructuras cercanas
- Concusión por efectos de la onda explosiva

OTROS ASPECTOS A CONSIDERAR

- Cálculo exacto del factor de carga
- Orientación de salida
- Sistema de iniciación con retardos adecuados
- Estricto respeto por los horarios establecidos
- Control del área de voladura con personal de seguridad
4. CONDICIONES DE SEGURIDAD
1.
El explosivo detona y rápidamente se expande en el barreno creando altas presiones de gas en el barreno y altas concentraciones de tensión en la roca.

2.
La roca inmediatamente alrededor del barreno es comprimida y triturada por la alta presión del barreno.

3.
Fisuras existentes son extendidas y nuevas se forman en la masa rocosa por tensiones compresivas y tensiónales.

4.
La alta presión de gas actúa como cuña y expande todas las fisuras.

5. La roca es desplazada hacia el paso de menor resistencia.

6.
Gas del explosivo se libera a la atmósfera, la roca explotada cae por gravedad y forma el perfil de voladura.
Deflagración y Detonación.

Los procesos de descomposición de una sustancia explosiva son: la combustión propiamente dicha, la deflagración y, por último, la detonación.

Combustión.
Desprendimiento de calor

Deflagración.
Proceso exotérmico en capas a baja velocidad (menor de 1000 m/s).

Detonación.
Proceso físico-químico caracterizado por su gran velocidad de reacción y formación de gases a elevadas temperaturas, que adquieren una fuerza expansiva.
El objetivo esencial de la utilización de un explosivo en el arranque de rocas consiste en disponer de una energía concentrada químicamente, situada en el
lugar apropiado
y en
cantidad suficiente
, de forma que liberada de un modo controlado, en tiempo y espacio, pueda lograr la fragmentación del material rocoso.

Roca masiva 42 a 210 ms
Roca con muchas grietas 17 a 65 ms
Fisuras débiles, planos desplazados 17 a 42 ms
Barreno lleno de agua 17 a 50 ms
Explosivo de densidad superior a 1,3 g/cc 17 a 65 ms
Material compacto (desplazamiento) 17 a 35 ms
Material Suelto 35 a 80 ms
Material desparramado 80 a 210 ms
Fragmentación media 35 a 65 ms
Optima fragmentación 42 a 120 ms
Quebradura hasta el fondo 65 a 210 ms
Control de Flyrock 42 a 150 ms
Escape mínimo de gases 42 a 130 ms
Vibraciones mínimas 65 a 220 ms
Típicos intervalos de retardo entre filas
Geología.

Las capas débiles (vetas de barro) pueden interrumpir barrenos adyacentes no detonados.

Las masas de roca muy fracturadas ventilan los gases explosivos en todas direcciones aumentando el potencial de interrupciones.

Cuando se realicen voladuras en geología como las descritas, los intervalos de retardo entre las filas deberán ser mantenidos por debajo de los 60 ms.

Las masas de roca blandas requieren más tiempo para su desplazamiento, de modo que se debe permitir más tiempo entre las filas para controlar la sobreexcavación (> 75 ms)
Consideraciones de diseño
Las perforaciones de precorte son detonadas antes que los barrenos de producción

Puede producir una pared alta más definida.

Tiene un burden y un espaciamiento igual a la mitad del de los barrenos de producción.

El peso de la carga (kg) por perforación es = altura de la cara (m) * espaciamiento de barrenos (m) / 2.

Se obtienen mejores resultados cundo la carga esta distribuida a lo largo del barreno.

El diámetro de la carga = a la mitad del diámetro del barreno.

La roca muy agrietada requiere un menor espaciamiento.
Voladura de Precorte
Hilera única de barrenos de voladura de diámetros que fluctúan entre 38 y 89 mm.

Se dispara después que se excava la voladura de producción

El taco actúa como un amortiguador alrededor de la carga explosiva en el barreno, para reducir el daño en la pared.

Los barrenos son detonados simultáneamente.

El espaciamiento entre las perforaciones en metros es igual al diámetro del barreno en mm dividido por 60

El diámetro de carga es la 1/2 del diámetro del barreno.

El espaciamiento de la carga en el interior del barreno es igual a la mitad del largo del cartucho.

El burden es equivalente a 0,75 del burden de los barrenos de producción.
Voladura amortiguada o recorte

Control de la pared.

- Intervalos de retardo demasiado cortos entre los barrenos de una fila y entre hileras, puede producir sobre excavación excesiva

- Si el retardo entre los barrenos de la última fila es inferior a 42 MS, las cargas pueden dañar la pared posterior.

- Un intervalo demasiado corto entre las filas (< 35 MS) facilitará la fractura atrás de la última línea de barrenos.
Consideraciones de diseño
Sensibilidad del lugar

- Niveles aceptables de vibración a estructuras cercanas

- Fragmentación requerida.

- Una fragmentación uniforme generalmente requiere la producción de caras libres nuevas durante el proceso.

- Generalmente se obtiene una fragmentación óptima en roca masiva cuando se detona un barreno por retardo y el retardo entre las perforaciones de una misma fila es lo más cercano a 40 ms. Con un factor K de alrededor de 900 kj/tn

- El retraso entre filas debería ser al menos 2 a 3 veces el retraso entre los barrenos de una misma fila.
Consideraciones de diseño
Controlar la energía explosiva disponible
Mejorar la fragmentación
Proporcionar alivio y controlar el desplazamiento de la masa rocosa
Reducir la fractura dentro de la última línea de barrenos y la fractura de los extremos
Controlar la vibración del suelo y la onda aérea
Reducir los requerimientos de explosivo
Reducir los kilos de explosivo que detonan a la vez
PRICIPALES OBJETIVOS DE LA DETONACIÓN SECUENCIADA
La detonación secuenciada corresponde a la iniciación desfasada de los barrenos de acuerdo a un diseño predefinido; cada tiro posee un tiempo de salida.

El orden de salida de cada barreno debe estar programado de tal manera que se aprovechen las condiciones del terreno, se minimicé el uso del explosivo y se obtengan los mejores resultados de voladura.

El objetivo final de la voladura secuenciada es
CREAR CARAS LIBRES.
DETONACIÓN SECUENCIADA
Burden (m) = ((densidad del explosivo x 2/ densidad de la roca)+1,8) x (diámetro del explosivo / 25,4) x 0,3048 =6,0
Índice de rigidez del burden = altura del banco / burden = 2,5
Espaciamiento (m) = Burden x 1,15 = 6,9
Longitud del taco (m) = Burden x 0,7 = 4,2
Distribución de la energía (%) = 1 - ( long. del taco/alt. del banco)= 72
Long. De la subperforación (m) = Burden x 0,3 = 2
Longitud del barreno (m) = alt. del banco + Subperforación = 17
Longitud del explosivo (m) Long. Del barreno - long. Del taco = 12,8
Densidad de carga (kg/m) =0,0031415 x densidad del explosivo x (diámetro del explosivo / 2)2 = 26,7
Peso del explosivo (kg/perforación) = Densidad de la carga del explosivo x longitud del explosivo. =341,8
Energía explosiva (mj /perforación) =(peso del explosivo x energía explosiva AWS) / 1000 = 1.274
Formulas para calculo de Voladuras (según Rodgers)
Ejemplo de calculo.
Diámetro del explosivo (mm) = 200
Densidad del explosivo (g/cc) = 0,85
Energía explosiva AWS (J/G) = 3726
Densidad de la roca (g/cc) = 2,4
Altura del banco (m) = 15
Guía para desarrollar diseños de voladuras

Mts3 de banco = Burden X Espaciamiento X altura del banco.
En toneladas = Mts3 X Densidad de la roca (g/cc).

2- Cálculos para efectuar la carga

Densidad de la carga (kg del explosivo X Mt de barreno) Equivale a 0,0031415 X densidad del explosivo X (diámetro del explosivo / 2)2
DISEÑO DE LAS VOLADURAS
DISEÑO DE LAS VOLADURAS
Las alturas de los bancos normalmente son determinadas por los parametros del lugar.

Si no se determina la altura con anterioridad, ésta deberá ser mayor en metros al diámetro de la carga en mm, dividido por 15.

Cuando la altura del banco es mayor a 4 veces la dimensión del Burden, normalmente se presenta desviación en las perforaciones lo que implica un gran problema.
Desde el punto de vista de la técnica de voladuras, el límite entre bancos normales y bajos depende del diámetro de perforación utilizado, la reación entre el diámetro de perforación utilizado y la altura del banco, determina dicho concepto.

Bancos bajos son aquellos en los cuales su altura es
inferior a 2 X Vmax.
BANCOS BAJOS
Tipifican a cada explosivo y sirven para encontrar el equivalente.

Selección: se basa en propiedades físicas del explosivo (Potencia relativa, brisancia, velocidad de detonación, etc)

Presión del Barreno

Fuerza de empuje de los gases sobre paredes del barreno (Kg/Cm2, Kilo bar, Mega pascal)
Fuerza práctica aplicada a la roca.
Volumen normal de gases (diferentes categorías de humos)
Cantidad de gases resultantes detonación 1 Kg de explosivo (0ºC y 1atm.Presión) Pt/Kg - explosivo.
Indica “cantidad de energía disponible” (600-1000 Ltr/Kg)
Sirve de referencia de selección para voladuras de rocas
(especificaciones fabricante).
2. PARÁMETROS DEL EXPLOSIVO
Los explosivos ideales poseen las mismas características (velocidad, Y presión de detonación) cualquiera sea su diámetro, forma o condiciones ambientales, tales como el TNT, PETN, NITROGLICERINAS.

Los explosivos no ideales dependen del diámetro, temperatura, confinamiento, etc.. Tales como el
ANFO, el ANFO PESADO, EMULSIONES, ACUAGELES, SLURRIES.
EXPLOSIVOS IDEALES Y
NO IDEALES
DUREZA DE LA ROCA
Puede ser determinada en terreno durante la perforación y registrado en los informes como ayuda durante la carga.

Las rocas más duras de mayor densidad pueden necesitar factores de energía más altos para una óptima fracturación.

Los barrenos de la voladura deberán ser cargados de acuerdo a las zonas de dureza.
Las vetas de barro pueden producir un orificio que permite el escape de energía explosiva.
Ser capaz de iniciar en forma infalible, todos los tiros de un diseño de disparo.

Cumplir con los tiempos de salida de los disparos en la forma mas exacta con respecto a la secuencia programada
Es claro que el sistema de iniciación no eléctrico por ser un sistema de iniciación de última generación, debe cumplir con dos objetivos fundamentales:
DISEÑOS DE VOLADURA CON SISTEMA DE INICIACIÓN NO ELÉCTRICO
Qpk 0 0,5 x 4,1 = 2,0 Kg./m
ho = 2,4 m
hp = 13,6 - (3,7+2,4) = 7,5 m.
Qp =7,5 x 2,0 = 15 Kg.
Qtot = 15,2 + 15,0 = 30,2 Kg.
q = Barrenos por hilera x Qtot V1 x K x B
q = 8 x 30,2/2,40 x 12 x 20 q = 0.42 Kg. /Mt3
b = Barrenos por hilera x H V1 x K x B
b = 8 x 13,6/ 2,4 x 12 x 20 b = 0,19 m. Perforación/ m3
Vmax = 45 x 64 = 2,88 Mts.
U = 0,3 x 2,88 = 0,9 Mts
H =12 + 0,9 +0,05(12,9)=13,6m
F =0,05 + 0,03 x 13,6 = 0,46 m
V1 = 2,88 - 0,46 = 2,40 m
E1 = 1,25 x 2,40 =3,00 m
Número de espacios= 20/3= 7
E1 = 20/7 = 2,86 Mts.
Qbk =(64)2/1000 =4,1 Kg/m
hb = 1,3 x 2,88 = 3,7 m.
Qb = 3,7 x 4,1 = 15,2 Kg.
Ejemplo de calculo de carga (según Langefors) Altura del banco K =12 Mts. Largo = 20 Mts. Ancho B = 20 Mts. Diámetro de perforación = 64 mm
Qbk Concentración de carga de fondo = d2 / 1000
hb Altura de carga de fondo 1.3 x Vmax
Qb Carga de fondo = hb x Qbk
Qpk Concentración de carga de columna = 0.5 x Qbk
hp Altura de carga de columna H -( hb + ho)
ho Retacado = V1
Vmax Piedra máxima teórica 45 x d (diámetro del barreno)
U Sobreperforación =0.3 x Vmax
H Profundidad del barreno K + U + 0.05 (K + U)
F Error de perforación 0.05 + 0.03 x H
V1 Piedra práctica = Vmax - F
E1 Espaciamiento práctico 1.25 x V1
Calculo de carga (según Langefors)
CLAVES PARA EL DISEÑO EFICIENTE DE UNA VOLADURA
La energía debe ser distribuida en forma pareja, para lograr una fragmentación uniforme.

La energía explosiva debe ser confinada durante el tiempo suficiente después de la detonación para fracturar y desplazar el material.

El nivel de energía debe ser suficiente para vencer la fuerza estructural de la roca y permitir el desplazamiento.
3. PARÁMETROS DE LA CARGA
NOTA: El factor de energía es el mismo para cada ejemplo
Buena distribución de la energía.
Distribución aceptable de la energía.
Altura del banco 10 M Diámetro de la carga 92 mm
Burden 3,3 M Indice de rigidez 3
Taco 2,3 M Distancia de energía Vertical 77%
Altura del banco 10 M Diámetro de la carga 145 mm
Burden 5 M Índice de rigidez 2
Taco 3,5 M Distancia de energía Vertical 65%
Altura del banco 10 M Diámetro de la carga 311 mm
Burden 10 M Índice de rigidez 1
Taco 7 M Distancia de energía Vertical 30%
Mala distribución de la energía.
Comparación del índice de rigidez.
Difícil de excavar ( mala fragmen.)

Apropiado para excavación con pala.

Apropiado para excavación con carga-
dor frontal.
Suelto
extendido
65 - 150 ms
escasa sobre excavación
Apretado
compacto
35 - 65 ms
algo de sobre excavación
Apretado
Menor 35 ms
exceso de fractura atrás
PERFILES TIPICOS DE PILAS DE ESCOMBROS
Introducción
Diseño
Preparación del Banco
Distribución del patrón
Perforación
Carga de la
Voladura
Excavación
Cuantificación del Resultado
Refinamiento del
diseño
Planeamiento de una voladura
PROCESO DE ROMPIMIENTO DE LA ROCA
Geometría de la carga (relación entre el largo de la carga con su diámetro y el punto de iniciación).

Diámetro de la carga: (frente <10 mts pequeño) depende del equipo de perforación disponible.

Grado de Confinamiento (aclopamiento, atacado)

Acoplamiento Físico (Barreno - Carga) a mayor desacoplamiento menor presión. Mejor trituración a mayor contacto directo.

Densidad de carga (% espacio ocupado por el explosivo)
Ubicación / Distribución de la carga explosiva en la roca
Carga Principal
Iniciador del barreno
Fuente de energía inicial.
Red de distribución de energía.
Carga iniciadora
Los explosivos comerciales no son otra cosa que una mezcla de sustancias, unas combustibles y otras oxidantes, que, iniciadas debidamente, dan lugar a una reacción exotérmica muy rápida que genera una serie de productos gaseosos a alta temperatura, químicamente más estables, y que ocupan un mayor volumen.
Esp. Víctor Hugo González R
Docente
Fases de la reacción química
de los explosivos
Altura del
Banco
Diametro del Barreno
Burden : Piedra practica
INDICE DE RIGIDEZ DEL BURDEN:
ESPACIAMIENTO:
Sobre perforación
Taco
1- Cálculo de volúmenes (por perforación)
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