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INTERCADECONSULTANCY & TRAINING

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P h.D Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade

Las propiedades fsicas del macizo rocos que se debenestudiar o, son las siguientes:

Densidad Gravedad especifica (G) Peso especifico (). Porosidad (n). Permeabilidad, etc.

PROPIEDADES FISICAS99


PROPIEDADES MECANICASLas propiedades mas importantes que se deben determinardel macizo rocoso, son las siguientes:

Ensayo de Compresin Uniaxial. Ensayo de Carga Puntual. Ensayo de Corte Directo. Ensayo para la determinacin de

las Constantes Elsticas. Ensayo de Compresin Triaxial. Ensayo de Traccin Indirecta

Brasilero. Velocidad de la onda longitudinal

o principal (Pwv).

100

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TEORIA DE FALLAS

Criterio de falla de Mohr (roca sin cohesin). Criterio de falla de Coulomb. Criterio de falla de Mohr-Coulomb. Criterio de falla de Griffith. Criterio de falla de Griffith, modificado. Criterio de falla de Hoek & Brown, etc.

Para el presente curso solo se mencionaran las teoras defallas propuestas por los siguientes investigadores.

Cabe enfatizar que la teora mas usada y moderna es lade Hoek & Brown.

101


CARACTERIZACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO

Los investigadores tales como Deere, Bieniawski, Barton, etc., hanrealizado estudios a cerca de la caracterizacin del macizo rocoso, yhan postulado lo siguiente:El RQDEl RMREl Q de BartonEl Rmi, etc.

102

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100.10x

totalLongitud

cmtestigosdetotalLongitudRQD

=

RQD (%) Calidad de la roca

100 90 Muy buena

90 75 Buena

75 50 Mediana

50 25 Mala

25 - 0 Muy mala

ROCK QUALITY DESIGNATION RQD103


En caso que no se cuente con testigos adecuados, Palmstrm (1982)Propone el RQD que puede ser calculado, definiendo un RQDsuperficial segn la siguiente expresin matemtica:

(%)3.3115 vJxRQD =Donde:Jv = Numero de contactos por m3Jv = Jx + Jy + JzPara Jv < 5 RQD = 100Priest and Hudson (1976), proponen el RQD, el cual puede ser calculado usando la siguiente expresin matemtica:

( )11.01.0100 += eRQD

m

idadesdiscontinuNDond

: =

104

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El valor del RMR se calcula de la siguiente manera:

Valor de un parmetro individual.

Las siguientes clases de los macizos rocosos son definidos por el valor RMR:RMR Clase N Clasificacin

100 81 I Roca Muy buena81 - 60 II Roca Buena60 - 41 III Roca Regular40 - 21 IV Roca Pobre < 20 V Roca Muy pobre

Z. T. Bieniaswki105

RMR = + + + + +1 2 3 4 5 6-

1. Resistencia compresiva uniaxial del macizo rocoso (Sc).2. Designacin de calidad de roca (RQD)3. Espaciamiento de las discontinuidades.4. Condicin de las discontinuidades.5. Condicin de agua subterrnea.6. Orientacin de las discontinuidades.


RQD : Parmetro definido por Deere (1964)Jn : Nmero de contactos.Jr : Numero de rugosidades.Ja : Numero de alteracinJw : Condicin de agua subterrneaSRF : Factor de reduccin del esfuerzo (stress reduction factor).

Para calcular el ndice Q se usa la siguiente expresin matemtica:

=

SRF

Jx

J

Jx

J

RQDQ w

a

r

n

El sistema propuesto, considera seis parmetros para definir lacalidad de un macizo rocoso, que son los siguientes:

N. Barton.106

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El valor de Q puede variar aproximadamente entre 0,001 y 1000,dentro de este rango se definen nueve calidades de roca, tal como semuestra en la tabla siguiente:

Calidad de Roca QExcepcionalmente mala 0.001 0.01Extremadamente mala 0.01 0.1Muy mala 0.1 1.0Mala 1.0 4.0Regular 4.0 10.0Buena 10.0 40.0Muy buena 40.0 - 100.0Extremadamente buena 100.0 - 400.0Excepcionalmente buena 400.0 - 1000.0

107


ESTA CORRELACION ENTRE EL RQD, EL RMRS Y EL Q SYSTEM

Resistencia, Rigidez, Tamao del bloque Integridad estructural Estabilidad, Vida til, etc.

RQD 5

RMR 5

Q 9

100

100

10000.001

0

0

68

58GH

555

9F

55


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109

PROCESO DEL FRACTURAMIENTO DE ROCAS

109


Energa producida porla detonacin de unamezcla explosivacomercialActa sobre

Una masa rocosa

Durante untiempodeterminado1

Energa producida porla detonacin de unamezcla explosivacomercialActa sobre (accin)

Una masa rocosa (medio)

Produce unmovimiento dela roca (efecto)2

Energa producida porla detonacin de unamezcla explosivacomercialActa sobre (accin)

Una masa rocosa (medio)

Produce unmovimiento y lafragmentacin deesta (efecto)3

EVOLUCION DE LOS CONCEPTOS DEL PROCESO DE FRACTURAMIENTO DE ROCAS

110

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Otros investigadores del presente siglo proponen el diagramaconceptual siguiente: Mostrando los conceptos de la evolucin de laciencia de la voladura de rocas:

1. INTUICION(Lgica simple)

3. PRINCIPIOS(Procesos del fracturamiento, etc.)

2. EMPIRISMO(Consumo especifico)

4. CIENCIA(Modelos geolgicos, geomecnicos y matemticos)

'$(*('!

111


La mayora de los investigadores estn de acuerdo en que 3 son lasetapas o fases principales que toman lugar en el proceso delfracturamiento de rocas por la accin de una mezcla explosivacomercial:

ETAPAS DEL PROCESO DEL FRACTURAMIENTO DE ROCAS

Primera fase: Fracturas radiales (Brisance). Segunda fase: Empuje hacia adelante (heave). Tercera fase: Fragmentacin.

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Cuando cualquier mezcla explosiva comercial que se encuentracargada dentro de un taladro es detonada, se producen ondascompresivas o de choque.

La forma y magnitud de estas ondas compresivas que viajan a altasvelocidades cuyo rango esta entre 3,000 5,000 m/seg., dependerdel tipo de mezcla explosiva comercial, del tipo de roca, del numeroy posicin de los boosters, altura de carga, dimetro del taladro y larelacin de la velocidad de detonacin con la velocidad depropagacin de las ondas a travs del macizo rocoso.

PRIMERA FASE: FRACTURAS RADIALES (BRISANCE)

Se debe mencionar que estas primeras fracturas radiales seproducen en las zonas adyacentes a los taladros y el tiemponecesario para esto, esta entre 1 a 2 ms.

113


Las altas presiones de los gases, hacen que estos produzcan lasondas compresivas las cuales sern refractadas y reflejadas.

Las ondas compresivas reflejadas cambiaran de signo (negativo) yse convertirn en ondas tensionales. Esta transformacin ocurrircuando las ondas compresivas arriben a una cara libre, cuando lamasa rocosa cambie de densidad o cuando ellas encuentran fallasgeolgicas o planos estructurales, etc., etc.El fracturamiento de la roca comenzara en la cara libre o encualquier discontinuidad donde las ondas compresivas sonreflejadas.

SEGUNDA FASE: EMPUJE HACIA ADELANTE (HEAVE)

114

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En esta etapa se produce la fragmentacin total de la roca.

TERCERA FASE: FRAGMENTACION

JOHANSSON: Ha dicho que:Bajo la influencia de las altaspresiones de los gases producidos por la detonacin de cualquiermezcla explosiva comercial; las primeras fracturas radiales sonextendidas, la cara libre falla y esta es movida hacia el frente.

Como en el caso del empuje hacia adelante (HEAVE); la primeraparte del macizo rocoso es movida hacia adelante y la nueva caralibre reflejara lo restante de las ondas de choque producidas por lasondas compresivas.

115


Muchos investigadores han dicho que: La fragmentacin es lams importante y nica variable que debe ser tomada en cuentapara evaluar los resultados de un disparo desde un punto de vistatcnico-econmico-ecolgico. Es debido a que la fragmentacin esla nica variable que Interrelaciona a todas las operaciones minero-metalrgicas que conforman el ciclo total de la extraccin delmineral (pre-minado, minado propiamente dicho, procesamiento deminerales, y venta de los productos minerales) .

116

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1era. Fase fracturas radiales (Brisance)

2da. Fase empuje hacia delante

(Heave)

3era. Fase fragmentacin

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Distancia burden(d)

d d d

Cara

lib

re

Cara

lib

re

Cara

lib

re


1. Zona de trituracin

2. Grietas radiales

3. Propagacin ssmica de las ondas de shock y expansin de gases 4. Reflexin

5. Movimiento del burden, face

slabbing and crak network formation

LA FIGURA MUESTRA EL PROCESO DEL FRACTURAMIENTO DE ROCAS DIVIDIDO EN CINCO ETAPAS O FASES

;7586

459C=458

118

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119

INGENIERIA DE EXPLOSIVOS119


INGENIERIA DE EXPLOSIVOS

De acuerdo al diagrama conceptual N 1, para obtener buenafragmentacin como resultado de una voladura de rocas, enprimer lugar se debe estudiar ingeniera de explosivos.De acuerdo a la metodologa que exige este tercer milenio quelas clases deben ser interactivas con mayor frecuencia entre:Profesor-estudiante, de tal manera que al finalizar el curso losresultados sean ptimos por lo cual el presente capitulo, se hadividido de la siguiente manera: Accesorios de voladura. Mezclas explosivas comerciales (MEC).

120

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8?45/39;

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9 #."5($(,

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)*($(' %!$+,

)"9)"*! '$*.!(8 ,

" .$$(6' *($

Ing. Agrcola (Remover troncos)

Otros

121


ACCESORIOS DE VOLADURA MAS USADOS A NIVEL MUNDIAL EN LA MINERIA

Mecha de seguridad Mecha rpida Cordn detonante Fulminantes comunes Fulminantes elctricos Fanel

Nonel. Retardos para cordn detonante Booster convencional Booster aluminizado, Fulminantes electrnicos Fulminantes sismogrficos, etc.

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DESARROLLO HISTORICO DE LAS MEC.123


Plvora Negra (C, S, NO3N2) 1300 1900. Nitrocelulosa (4C6N3H7O11) 1832 Nitroglicerina (4C3N3H5O9) 1846 Dinamita (NG + Kieselghr) 1865 Dinamitas Amoniacales y Gelatinosas 1875 1950. AN/FO 1940 Slurries 1950 Slurries (Empacados) 1960. Al/AN/FO, 1968 SAN/FO, Slurries (A granel) 1970 Slurries para Dimetros pequeos 1972 Emulsiones 1975 Emulsiones para Dimetro pequeo y

AN/FOs pesados (Heavy AN/Fos) 1980 AN/CO para Open Pit y Operaciones

mineras Subterrneas August 2002 Agente de voladura para voladura controlada 2007

DESARROLLO HISTORICO DE LA MEC.124

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125


EL AN/FO debe ser sometido a las pruebas de:Absorcin y Retencin del petrleo.En esta prueba se trata de demostrar si el AN usado parala formulacin del AN/FO cumple con todas lasespecificaciones exigidas entre ellas buena absorcin yretencin de petrleo.Si la proporcin cuando de formula el AN/FO fue laadecuada.

AN/FO126

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Por seguridad y por regulaciones a nivel mundialTodas las MEC deben pasar pruebas de control deCalidad, tales como:

Absorcin y retencin de petrleo Densidad Mnimo booster VOD, etc.

127


128

DIAGRAMA CONCEPTUAL MOSTRANDO EL CARGUIO, CONEXIONES Y LA SECUENCIA DE SALIDA DE UNA OPERACION DE

VOLADURA TIPICA PARA MINERIA OPEN PIT

MEHCA DESEGURIDAD

MEHCA DESEGURIDAD

90

CRESTA

CARALIBRE

SOBREPERFORACION

MANGUERAFANEL

MEC

BOOSTER

S

HB

= 9 7/8

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129

RESULTADOENSAMBLE

EXPANSIONPRODUCIDA DESPUESDE LA DETONACION

MECHA Y FULMINANTE N 6

Norma INDECOPI 311.191

10 g DE EXPLOSIVO A ENSAYAR

MOLDE DE PLOMO DEDIMENSIONES ESPECIFICAS

CAVIDAD CILINDRICA DE62 cm (*)3

(*) Se agraga 8 cm por el volumen ocupado por el detonador, total 70 cm33

PRUEBA TRAUZIL (POTENCIA RELATIVA)


130

GELATINA ESPECIAL 75 SEMEXSA 45

EJEMPLOS DE RESULTADOS

ENSAMBLE DE PRUEBA

PRUEBA HESS (PODER ROMPEDOR)Norma ITINTEC 311.193

APLASTAMIENTOEN MM

Detonador N6

Disco de acero(4mm x 40mm de )Disco de plomo(65mm x 45mm de )

Placa de fiero(Base mnima de 8 mm)

100 g de explosivo

1 2 3

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BALANCE DE OXIGENO

La mayora de las MEC son formuladas para tener aproximadamenteun balance de oxigeno OB 0, esto es que los elementosconstituyentes principales tales como:H, N, O y C en la MEC deben estar en la proporcin de tal manera queen los gases resultantes de la detonacin todo el O2 reacciona paraformar H2O, el N combinado reacciona para formar nitrgeno molecularN2 y el carbn reacciona para formar CO2.

Si hubiera suficiente oxigeno O2 presente en la MEC para formar H2O yCO2, entonces se dice que la MEC esta balanceada en oxigeno. SIhubiera una deficiencia se dice que el OB es negativo y si hubiera unexceso se dice que el OB es positivo.

131


)1(02 220 == OHCOOOB

Cuando una MEC balanceada no contiene otros elementoscon afinidad por oxigeno el balance de oxigeno = 0 puedeser expresado matemticamente como sigue:

En la ecuacin anterior O0 es el numero de tomos gramos deestos elementos (normalmente 100g) de MEC, y el H2O y CO2son moles producidos por unidad de peso de la MEC.

132

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)2(2

12 000 = HCOOB

Se debe expresar que en una forma mas general paracualquier MEC conteniendo C, H, N y O, la ecuacin (1)puede ser expresada de la siguiente manera:

Donde:O0, C0 y H0 representan el numero de tomos gramos deestos elementos por peso unitario de la MEC.O0 es corregido con la cantidad combinada con elementospara formar productos slidos, tales como: CaO y Na2O,cuando tales elementos estn presentes.

133


)3(3 = RP HHQ

La energa producida por la detonacin del AN/FO puedeser calculada usando la siguiente expresin matemtica:

Donde:Q3 = Calor de explosin en Kcal/Kg.HP = Calor de formacin de los productosHR = Calor de formacin de los reactantes.

CALOR DE EXPLOSION (Q3)134

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CLASIFICACION DE LAS VARIABLES QUE DEBEN SER TOMADAS EN CUENTA PARA

DISEAR UN DISPARO PRIMARIO1. Variables no controlables.2. Variables controlables.

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VariablesControlables

Burden (B)Dimetro de taladro (BH F)Espaciamiento (S)Longitud de carga (BHL)Sobre perforacin (S/D)Taco (ST)Altura de banco (BH)Profundidad de taladro (BHD), etc.

Geomtricas

Tipos y tiempos de retardoTipos y secuencia de salida, etc., etc.De tiempo

Fragmentacin requeridaOperativas

Tipo de mezcla explosivaDensidad de la mezcla explosivaParmetros de ( 1) explosivo:Detonacin: VOD, P2, T2, etc.Explosin: Q3, P3, T3, etc.Boostering,

Fsico qumicas

qPdVAEVf

V= 1

Etc, etc.

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Variedad y naturaleza delmacizo rocoso.

Geologa regional, local,estructural.

Hidrogeologa y condicionesclimatolgicas.

Aspectos geotcnicos. Caractersticas geomecnicas. RQD, Q y RMRS, etc.

!"( Variables noControlables

137


IMPEDANCIA

Varios autores hansugerido que para lautilizacin mxima de laenerga producida poruna MEC en el procesode fragmentacin de lasrocas, es necesario quela impedancia delexplosivo sea lo mascercanamente posible ala impedancia de la roca.

Introduccin

138

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Se puede definir como el producto de la velocidad y ladensidad.

As por ejemplo, para el explosivo la impedancia se refiere alproducto de la densidad del explosivo cargado dentro deltaladro y su velocidad de detonacin (VOD), mientras quepara la impedancia de la roca, es definida como el productode la velocidad de la onda P y la densidad del macizorocoso.

Entonces para obtener una fragmentacin mxima, se debecumplir lo siguiente.

DEFINICION 139


140

Donde:

es la densidad, VOD es la velocidad de detonacin del explosivo. VP es la velocidad de la onda P, dentro del macizo rocoso.

PRocklosivo VVOD =exp

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Tomando en cuenta el objetivo del balance que debe existir entre laresistencias de la roca (tpicamente con velocidad de la onda P, en elrango de 4500 a 6000 m/sec.), se obtendr mejor fragmentacincuando se use un explosivo con alta densidad y lata velocidad dedetonacin.

Las impedancias de los explosivos nunca alcanzaran a la impedanciamxima de las rocas, debido a las densidades relativamente bajas delas MEC.

Muchos macizos rocosos , sin embargo no requieren una buenafragmentacin as como un desplazamiento y para estos tipos deroca la utilizacin de la energa de choque es de una importanciasecundaria para la generacin y utilizacin de la energa de empuje.

141


Estos tipos de roca usualmente necesitaran el uso de explosivosde baja velocidad de detonacin y son en estas aplicaciones queel uso de explosivos aluminizados cumplirn mejor performance.Por otro lado, los Drs. Alan Bauer & Peter N. Calder, han dicho que

los factores que tienen una influencia determinante en lafragmentacin producida por la voladura, son los siguientes:

a. Tipo de macizo rocoso a ser disparado.

b. Estructura geolgica que es predominante, orientacin de lasfracturas y frecuencia de estas.

142

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c. Direccin de la voladura relativa a la estructura del macizorocoso.

d. Para una carga explosiva dada la relacin del burden (B) alespaciamiento (S).

e. Carga explosiva y su performance: esto es la energa usada porpie de taladro o por Yd3 o por Tm de roca.

f. Los intervalos de retardo empleados entre filas de taladros.g. La altura de taco.h. La sobre perforacin, carga de fondo, el numero de filas de

taladros.i. El control operacional, etc., etc.

143



144

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PRocklosivo VVOD exp

145


PRocklosivo VVOD exp

146

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PROBLEMA DE APLICACION N 1En una operacin minera trabajada por el mtodo de openpit, se debe seleccionar la MEC a ser usada para llevar acabo la voladura de rocas; para lo cual se cuenta con lasiguiente informacin:Field data. Tipo de roca: andesita. Densidad de la roca R = 3.0Tm/m3 Velocidad de la onda Pwv =5000m/sec. Velocidad de detonacin VOD = 5,500 m/sec.Se pide:i. Seleccionar la MEC que debe ser usada para llevar a

cabo la operacin minera de voladura de rocas, endicha operacin minera.

ii. Discutir los resultados.

147


SOLUCION Data:R = 3.0Tm/m3Pwv =5000m/sec.VOD = 5,500 m/sec.

148


( ).sec/5500

/0.3sec/5000 3

expm

mTmmlosivo =

( )( ) cc

GrmTmlosivo 6

63

exp105500

1015000

.1/5500

/000,15==

ccgrlosivo /7.2exp =

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e = 2.7 Grs/cc.Se sabe que e es la MEC cargada dentro del taladro (confinada); esto significa que c es 40% mas que la densidad del explosivo antes de cargarse dentro del taladro.Por lo tanto: 2.7 Grs/cc x 0.40 = 1.08Entonces: 2.7 Grs/cc (Explosivo cargado)

1.1 Grs/cc (efecto del carguo)1.6 Grs/cc (explosivo a condiciones normales)

Por lo tanto el explosivo seleccionado ser: Emulsin. Heavy AN/FO. Heavy AN/CO, etc.

149


6.3 Ingeniera de diseo150

Macizo Rocoso

Competente yDuro

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La definicin en Ingeniera de explosivos e ingeniera derocas: Un modelo matemtico para calcular el burden paralas operaciones mineras tanto subterrneas comosuperficiales es crear un algoritmo haciendo intervenir lasvariables reales del macizo rocoso, tales como lacaracterizacin geomecnica, la mecnica de rocas y lascaractersticas y propiedades de cualquier MEC que seusara para la voladura de rocas, teniendo siemprepresente que el burden es la variable fundamental ydeterminante para obtener un resultado adecuado de lafragmentacin de la roca. Se enfatiza que un buen modelomatemtico es mas adecuado cuanto mas use variablesfsicas y mecnicas dinmicas del macizo rocoso.

MODELOS MATEMATICOS151


REVISION DE ALGUNOS MODELOS MATEMATICOS, PROPUESTOS PARA

CALCULAR EL BURDEN

A medida que avanza la ciencia, los investigadores handesarrollado y propuesto varios modelos matemticos encada rea del saber humano.

Para este curso se revisara los modelos mas usados enPer y los que mas se adecuan a las operaciones minerasunitarias superficiales, tales como: R. L. Ash y Pearse.Estos investigadores consideran que el burden es lavariable mas importante y crucial de determinar.

152

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)"

153

ALTU

RA

DEL

TA

LUD

Sobrebarreno


MODELO DE R.L ASH (1963)Ash, propone el siguiente modelo para el clculo del burden (B)

12

DKB b=

Donde:B = Burden (pies)D = Dimetro del taladro (pulg)Kb = Constante que depender del tipo de roca y del explosivo usado(ver tabla I)

154

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Tipo de ExplosivoTipo de Roca

Blanda Media Dura

Baja densidad (0.8 -0.9) gr/ccBaja potencia

30 25 20

Densidad media (1.0 1.2) gr/ccPotencia media

35 30 25

Alta densidad (1.3 1.4) gr/ccAlta potencia

40 35 30

Valores de Kb para algunos tipos de roca y explosivos usadosen el modelo de R. L. Ash para calcular el burden (B)

TABLA I155


Profundidad del taladro:

[ ]6.2

4,5.1

=

=

H

H

H

K

K

BKH

Sobre perforacin

3.0=

=

J

J

K

BKJ

Adems R. L Ash, ha desarrollado otros cuatro estndaresbsicos o relaciones a dimensionales.Para determinar los dems parmetros de diseo de undisparo.Son los siguientes:

156

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Espaciamiento:S = KS B

KS = 2 Para iniciacin simultaneaKS = 1 Para periodos de retardos largosKS = 1-2 Para periodos de retardos cortosKS = 1.2 1.8 Como promedio

Taco:

T = KT BKT = 0.7 1.0

157


FORMULA MODIFICADA DE ASHEn un intento de hacer intervenir parmetros fsicos de laroca y del explosivo, Ash plantea una formula modificadapara el clculo del burden.

( ) ( )( )3/1

2

11

2

22

3/1

2

1

12

=

VeSG

VeSGDKB

r

res

Donde:B = Burden (pies).Ks = Factor.

De = Dimetro de la carga explosiva.

158

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r1 = Densidad de la roca Standard x = 2.7 Tm/m3

r2 = Densidad de la roca a ser disparada (Tm/m3)SG1 = Gravedad especifica de la mezcla explosiva (estndar)SG2 = Gravedad especifica de la mezcla explosiva a ser usadaVe1 = Velocidad de detonacin de la mezcla explosiva estndarVe2 = Velocidad de detonacin de la mezcla explosiva a ser usada

159


160

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PROBLEMA DE APLICACION N 1 En una operacin minera trabajada por el mtodo de openpit, se tiene la siguiente informacin: Mallas de perforacin y voladura B x S = 13 x 13 Altura de banco BH = 40 Densidad de la roca R = 4.0 Tm/ m3 Sobre-perforacin S/D = 5 Taco ST = 12

El agente d voladura a ser usado es el AN/FO, cuyadensidad de carga es LD = 36 Lbs/pie.Los costos referenciales son AN/FO = 0.0404 $/Lb. Perforacin Dc = 1.324 $/pie

161


Se pide:i. Calcular el costo de perforacin y voladura en

$/Tm. Fragmentada.ii. Discutir los resultados.

162

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ALGORITMO DE SOLUCION

1. Calcular tonelaje

Convirtiendo

163

( )33 /0.46760 mTmpiesW =( )( )( ) 36760043131 piesV ==

TmW 815=


2. Clculo del explosivo

( )( )pielbsKgs losivo /3633exp =

Sobre-perforacin S/D = 5 Taco ST = 12 Densidad de carga es LD = 36 Lbs/pie. Altura de carga

BH + S/D ST = 40 + 5 -12 = 33

lbsKgs losivo 1190exp

164

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