Cualquier distorsión al perforar la roca puede generar una onda expansiva o sea al realizar apertura de labores acumularemos esfuerzos alrededor de dicha excavación. De acuerdo a esta premisa realizaremos modelos predictivos mediante el control de la vibración.
La necesidad de profundizar la excavación subterránea para extraer minerales y con ayuda de herramientas como, la geología estructural, los métodos numéricos, software geomecánicos, mecánica de rocas, estudios de minas del Perú donde se tienen presencia e indicios de vibraciones sísmicos producidos por los estallidos de rocas y equipos de medición para conocer las velocidades pico partícula VPP.
Reducirlas y predecir los eventos para labores que eventualmente podrían verse afectadas por ellas. Conociendo las causas principales:
Esfuerzos en profundidad de la excavación haciendo que la roca se comporte en forma plásticas, si los esfuerzos son tan grandes que la roca no podrá soportarlas de manera elástica, haciendo que falle, es decir que se rompa súbitamente liberando una gran cantidad de energía.
Tipo de roca, ritmo de explotación, análisis vibraciones sísmicas producidas por voladura, ubicación en zonas sísmica, velocidad sísmica de las rocas (velocidad pico partícula). Realizando un modelo matemático y estudio geoestadístico, nos indicará la frecuencia, tamaños, amplitud de estallidos de roca a posibles a tener por zonas, la posible intensidad. Para su control respectivo.
De forma simplificada, Energía sísmica vibratoria (E) por un estallido de roca, es proporcional a por la cantidad (Q) de áreas de explotación:
E = p x Q.
p: proporción de energía acumulada producida por esfuerzos alrededor de una excavación subterránea.
Con características de las predicciones. Factor de carga, distancia y profundidad de la excavación, atenuación para cada tipo de roca, Factores no considerados, tamaño de voladura, secuencia de iniciación y de excavación, el grado de relleno de los tajeos ya explotados.
Concluyendo cambio de accesos y distancias, métodos de explotación, reprogramación de áreas de explotación. Numéricamente es predictible la probabilidad de estallidos de roca, pero no orientados a controlar la vibración máxima y el daño. La solución se encuentra al desplazar el modelo hasta que esta tenga una gran cantidad de datos del terreno, haciendo un 85% confiable la predicción.
Introducción
El estallido de rocas se da cuando a un macizo rocoso con características de alta densidad y/o rígidas (duro y compacto) soporta altas presiones, que al no poder deformarse lo suficiente, el cual acumula energía de deformación. Llegando a un punto critico donde se produce una liberación violenta de energía, originando su estallido.
La minería y la construcción Tunelera actualmente tiene muchas variables en su diseño como es el caso de conocimiento de factores influyentes:
• El medio geológico.
• Propiedades del comportamiento mecánico del medio geológico.
• El campo de esfuerzos original.
• Esfuerzos inducidos por el método de minado.
• Velocidad de minado y tiempos en la realización de la estabilización del macizo rocoso. Sobre excavación o aberturas sobredimensionadas.
• La energía de deformación.
Aplicación de conceptos
Detonación y propagación de ondas sísmicas en un macizo rocoso
Cuando es detonada una carga explosiva en el interior de un macizo rocoso, su energía potencial es liberada en un intervalo de tiempo muy corto. El mecanismo de detonación es tal que se crea una elevada presión en la zona de reacción química. Esta presión instantánea puede alcanzar hasta 30.000 bars.
el control de la vibración.
Los explosivos comunes en explotación minera producen presiones del orden de 2000 a 6000 bars, o sea, de 2 a 6.108 Pa. Para tener una idea de la importancia de esos valores basta compararlos con la presión sonora. El límite superior de audibilidad es de 20 Pa, o sea diez millones de veces menor que la presión resultante de la detonación de un explosivo.
Esta presión provoca una onda de choque que se utiliza en el trabajo de fragmentación de la roca y de formación, sobre el frente de explosión, en una pila de fragmentos de forma adecuada a su carga. Otra parte de esa energía es liberada en el ambiente, propagándose a través del macizo rocoso, de la napa freática y del aire. La onda de choque es onda sísmica que puede ser de tipos diferentes. Las más comunes son:
– Las ondas longitudinales (ondas de compresión, o primarias o P)
– Las ondas transversales (o de cizallamiento, o secundarias o S),
– Las ondas de Raleigh (u ondas R),
– las ondas de Love (u ondas Q).
Los frentes de onda tienen formas diferentes. Las ondas P se propagan por tracciones y compresiones sucesivas del medio y, al alcanzar una superficie libre o cambiar de medio de propagación (por ejemplo, al pasar de un estrato geológico a otro) a un ángulo diferente de 90º, están sujetas a fenómenos de reflexión y refracción que dan origen a las ondas S, donde la vibración es perpendicular a la dirección de propagación. Las ondas P y S se propagan e todas direcciones y son llamadas ondas de volumen.
Es común describir el movimiento del terreno provocado por el pasaje de una onda sísmica como la trayectoria de una partícula imaginaria solidaria con el medio atravesado. De este modo, en las ondas longitudinales la partícula se mueve en torno de un punto de reposo hacia adelante y hacia atrás en la dirección de propagación de la onda, o sea, longitudinalmente.
Ya, en las ondas transversales el movimiento de la partícula se da en un plano perpendicular a la dirección de propagación o frente de onda. Si las partículas se movieren en una dirección preferencial en ese plano se dice que son polarizadas. En las interfaces aire/superficie del terreno las ondas de volumen dan lugar a las ondas llamadas de superficie, que se propagan en ese límite.
Las ondas de superficie se caracterizan por frecuencias más bajas que las de volumen. Las ondas R son las ondas de superficie más comúnmente encontradas y transportan la mayor parte de la energía propagada en superficie (Tritsch, 1983) y por ende presentan mayor potencial de riesgo a las estructuras.
En las ondas R las partículas desarrollan un movimiento elíptico retrógrado principalmente en las direcciones vertical y longitudinal, mientras que en las ondas Q las partículas se mueven predominantemente en la horizontal en una dirección transversal a aquella de propagación del frente de onda. Cada tipo de onda se propaga con una velocidad que es característica del medio atravesado.
La onda más rápida es siempre la P, seguida por la onda S y por las ondas de superficie.
La velocidad de propagación depende apenas de las características del medio. La de las ondas longitudinales es dada por:
Donde:
VL – velocidad de propagación de las ondas longitudinales
E – módulo de Young
r – coeficiente de Poisson
n – densidad del medio
Las rocas cristalinas permiten la mayor velocidad de propagación, que es del orden de 5000 a 6000 m/s para las ondas longitudinales cuando la roca es sana. También la frecuencia de vibración depende de la naturaleza del terreno, las rocas cristalinas admiten las frecuencias más elevadas.
La onda de choque es amortiguada a medida que su frente se aleja del origen. Además del fenómeno puramente geométrico de dispersión de energía en un espacio tridimensional, el carácter no completamente elástico de las rocas y la presencia de agua llenando vacíos son también factores de amortiguamiento del temblor.
La amplitud, la velocidad y la aceleración del movimiento oscilatorio disminuyen con la distancia, sucediendo lo mismo con la frecuencia de oscilación. Los terremotos, captados a centenas o millares de quilómetros de su epicentro, presentan frecuencias mucho más bajas (del orden de 2 Hz).
Se asume, en general, que las vibraciones tienen una forma sinusoidal, lo que facilita su representación matemática y no introduce errores demasiado importantes (Chapot, 1981; Dowding, 1985; Langefors y Kihlström, 1978).
En esta hipótesis simplificadora, relaciones matemáticas elementales describen el movimiento de las partículas de la siguiente manera:
Traslación d(t) = do.sen w.t
Velocidad v(t) = w. do.cos. w.t
Aceleración a(t) = w 2 do.sen w.t
Donde:
w = frecuencia angular = 2 p f
f = frecuencia (ciclos/segundo)
Los registros de vibraciones debidos al desmonte de rocas con explosivos no tienen una frecuencia nítidamente definida, pero muestran un espectro de variación. En el registro de un fuego no interesa los diferentes tipos de ondas generados, sino el efecto total del temblor. Sin embargo, diferentes tipos de ondas transmitirán diferentes cantidades de energía, según los tipos de terrenos atravesados.
Propagándose con velocidades diferentes, los diversos tipos de ondas necesitarán tiempos distintos para alcanzar puntos a la misma distancia; el movimiento de las partículas afectadas será controlado por la energía que llega a cada instante y, en rigor, contenida en cada tipo de onda.
Modelacion de la propagación
Los límites admisibles de vibraciones equivalen a patrones ambientales que deben ser respetados por todo operador minero, y en eso son semejantes a patrones de calidad del aire y del agua. Ellos equivalen al concepto de capacidad de asimilación del medio. De la misma forma que patrones de calidad de las aguas se establecen con objetivos de preservación de hábitats de fauna y flora, de uso recreativo o para abastecimiento público, los patrones ambientales para vibraciones son establecidos para que sean evitados daños a las construcciones y para que no provoquen efectos dañinos a la salud humana.
una onda expansiva alrededor de dicha excavación.
Para que el patrón sea atendido, la empresa debe tener un programa de control de vibraciones que normalmente incluye dos partes:
– tecnología de desmonte apropiada;
– seguimiento de vibraciones.
El proyectista de una mina, así como el encargado de la aprobación oficial del proyecto, tiene diferentes necesidades de información:
Ellos necesitan conocer con antelación los futuros niveles de vibración resultantes de una mina que todavía no existe. Para ello, con miras a una situación futura, se sirven de modelos que representen las condiciones de propagación de ondas sísmicas en un macizo rocoso.
¿Cuáles son los parámetros que deben ser tomados en cuenta y correlacionados con la velocidad de partícula (o sea, el indicador de calidad ambiental)? Ciertamente la carga de explosivo y la distancia, pero también el tipo de roca, las estructuras geológicas, el tipo de explosivo y de iniciador.
Entre estos parámetros, la carga de explosivo y la distancia son fácilmente medibles; el tipo de explosivo y de roca son ya más difíciles de representar.
Normalmente, en los modelos de propagación se busca correlacionar la carga y la distancia con la velocidad de partícula.
En este caso, se constata que la velocidad de partícula se correlaciona a distancia en la forma de una recta en un gráfico logarítmico, de acuerdo con la expresión:
donde V es la velocidad de partícula y D la distancia, K una constante representativa de las características geológicas del lugar y b es la inclinación de la recta, variando normalmente entre 1,5 y 2. Otra expresión obtenida de resultados empíricos es:
Con relación a la carga de explosivos, resultados empíricos sugieren una ecuación del tipo:
lo que se representa por una recta de inclinación ascendente a en un gráfico logarítmico. Empíricamente Chapot (1981) obtuvo valores de a entre 0,43 y 0,84. De este modo, las ecuaciones de propagación tendrían la siguiente forma:
Resultados reportados en la literatura indican, para un exponente a entre -1/3 y -1/2, o sea, las ecuaciones asumen la forma:
Minimización de los efectos de las vibraciones
Para reducir los efectos nocivos de las vibraciones el técnico debe actuar sobre los principales parámetros que representan el fenómeno, o sea, la carga y la distancia.
Evidentemente no se puede alterar los parámetros representativos de las condiciones del sitio.
La distancia puede ser una variable en nuevos proyectos; de esa manera, se debe evitar la construcción de estructuras en áreas que están sujetas a riesgos. Como a veces la empresa no tiene control sobre las normas que rigen el uso del suelo en el entorno de la propiedad y las empresas de explotación de minas actúan como inductores de la ocupación regional, es usual la recomendación que la empresa trate de adquirir los terrenos situados en el entorno de la futura mina, de manera de formar un cerco de seguridad alrededor de la cava a ser abierta.
Técnicas de reducción de las vibraciones
En base a los resultados de los controles y estudios de vibraciones (de mayor o menor complejidad), con el conocimiento de las técnicas básicas de voladuras y empleando los nuevos explosivos y sistemas de iniciación (detonadores secuenciados, incluso de tipo electrónico), es posible realizar diseños de voladuras que reduzcan a niveles imperceptibles (para las estructuras y para las personas) las vibraciones generadas en las voladuras. Aunque es imposible definir una receta universal, ya que cada caso es singular, sí es posible definir una pautas generales de reducción de vibraciones actuando sobre el diseño de las voladuras que, en la mayor parte de los casos, son de aplicación.
Estas pautas son:
• reducción de la carga operante de las voladuras, mediante:
– Reducción del diámetro de perforación de los barrenos o la reducción de la altura de banco en la excavación o cuando ni lo uno ni lo otro sea posible, por causas operativas (altura de banco definida de antemano en una explotación o diámetro de perforación fijado por la maquinaria disponible o por los niveles de producción requeridos), es posible llevar a cabo el seccionado de cargas dentro de un barreno, haciéndolas detonar en tiempos distintos o una herramienta imprescindible para lograr la reducción de la carga operante es el empleo de detonadores secuenciadores, que permiten la detonación de todas y cada una de las cargas que componen una voladura en un tiempo distinto.
Los cuatro tipos generales de detonadores que permiten esto son:
• conectadores secuenciados para cordón detonante (relés de microrretardo): de 15, 25, 40 55 y 80 milisegundos
• detonadores eléctricos de retardo (serie de 15 detonadores, retardados 500 milisegundos entre detonador y detonador) y detonadores eléctricos de microrretardo (serie de 18 detonadores, retardados 30 milisegundos entre detonador y detonador)
• detonadores no eléctricos de retardo (serie de 26 detonadores, retardados progresivamente desde 100 milisegundos a 1 segundo entre detonador y detonador), detonadores eléctricos de microrretardo (serie de 30 detonadores, retardados 25 milisegundos entre detonador y detonador) y conectadores no eléctricos de 9, 17, 25, 42, 67, 100, 150 y 200 milisegundos.
• detonadores electrónicos, programables es de 1 milisegundo a 25 segundos, en incrementos de 1 milisegundo; estos detonadores están suponiendo una revolución en el diseño de voladuras para combatir las vibraciones, ya que introducen una versatilidad muy grande, que hace que se pueda adaptar el tiempo de cada carga a la amplitud y frecuencia deseadas.
Es importante no confundir la reducción de la carga operante con la carga máxima de la voladura, ya que es posible realizar una voladura de gran tamaño con cargas operantes reducidas.
También es importante no confundir la carga operante con la carga específica; si ésta se reduce mucho, puede ocurrir que no se produzca arranque de material y la mayor parte de la energía se emplee en generar vibraciones, produciéndose el resultado inverso al buscado (como ya se indicó al principio, cuanto más confinada esté una voladura, más vibraciones genera ésta).
• A continuación, ajustar la secuenciación a las frecuencias predominantes del terreno. Los detonadores secuenciadores ofrecen una versatilidad suficiente (mejorada con los detonadores electrónicos) como para adaptar la secuencia de detonación de las cargas de las voladura a la frecuencia predomínate del terreno en el punto de medida. Una variante de esta medida correctora es focalizar el tren de ondas en el sentido inverso a la posición de la estructura.
• Otra medida preventiva es crear o aprovechar pantallas o discontinuidades entre el macizo rocoso donde se lleva a cabo la voladura y la estructura a proteger. En este sentido, se está extendiendo la técnica del precorte para crear ese tipo de discontinuidad (si bien tiene otros inconvenientes de confinamiento de cargas que hay que tener en cuenta al diseñarlo, para no provocar males mayores con el precorte que con la voladura principal).
También se pueden aprovechar las caras libres de los bancos, orientando la salida de la voladura de tal manera que las vibraciones viajen preferentemente en sentido contrario a la posición de la estructura a preservar.
• Por último, de forma genérica, indicar que esquemas de perforación y voladura equilibrados con cargas ajustadas al arranque y fragmentación deseadas y con secuenciaciones adecuadas suelen ser sinónimo de voladuras de calidad y con escasas vibraciones generadas, siendo preciso emplear los criterios y fórmulas de cálculo internacionalmente usadas para llegar a estos diseños.
Por otro lado, el ciclo de la excavación minera ocasiona una acumulación más rápida de esfuerzos alrededor de dicha excavación ya que se deja espacios vacios sin rellenar al breve tiempo en la voladura de un tajo cercano.
Conclusiones
De acuerdo al análisis estadístico realizado se tiene la mayor cantidad de eventos o estallidos de rocas ocurren en áreas cercanos a la explotación del yacimiento.
Por consecuencia de una cantidad mayor de espacios vacíos sin rellenar, también al tamaño de los tajeos en explotación, generaran la acumulación. Tal como detallaremos en la exposición. La mayor cantidad de voladuras realizadas en tajeos cercanos a la explotación también generaran una acumulación rápida y excesiva de esfuerzos que ocasionarán en un breve tiempo el estallido de roca. El contenido de energía cinética del evento.
– La distancia desde el foco del evento hasta la excavación minera.
– El estado de esfuerzos alrededor de la excavación.
– La calidad de la roca alrededor de la excavación;
– La calidad del sostenimiento de la excavación.
La reduccion de los riesgos asociados con los estallidos de rocas puede lograrse:
– Reducir el número de eventos sísmicos.
– Disminuir el contenido de energía sísmica de los eventos sísmicos.
– Disminuir la proporción de eventos sísmicos que se manifiestan como estallidos de Roca.
Finalmente, minimizar los efectos del daño de los estallidos de rocas. Estos criterios obviamente están directamente influenciados por el control de la “concentración de esfuerzos” alrededor de las excavaciones.
En el contexto señalado, una reducción en la “concentración de esfuerzos” significa una disminución de la “magnitud de los esfuerzos” y asimismo una disminución en el “volumen de la roca” que esta expuesta a altos esfuerzos. Si tales reducciones fueran logradas, luego las cuatro acciones listadas anteriormente para la mitigación de los riesgos de estallidos podrían cambiar para mejorar la situación, con una consecuente reducción en el número y contenido de energía de los eventos sísmicos.
Debe enfatizarse que este cambio debe ser considerado como una expectativa que debe ser tomada más en un sentido estadístico que determinístico.
Esencialmente la medición de la velocidad pico partícula (VPP) y la frecuencia de las vibraciones en el terreno, generadas por la voladura, deben ser constantes.
El diseño de soportes para restringir el movimiento de bloques alrededor de excavaciones subterráneas sujetas a estallidos de rocas es un ejemplo donde las discontinuidades deben ser tomadas en cuenta.
La afección dinámica a las estructuras por las vibraciones causadas por las voladuras de obras civiles, canteras o minas puede controlarse mediante su medición y cálculo, empleando para ello instrumentación de tipo sismográfico.
Debido a las habituales heterogeneidades del terreno, los cálculos basados en la medición se han demostrado más fiables que los analíticos puros. Existen normas nacionales e internacionales que las limitan, definiendo en algunos casos las pautas actuación frente al diseño de una voladura que, eventualmente, pudiera afectar a una estructura. Por otro lado, existen técnicas de estimación de vibraciones, basadas en la obtención de la ley de amortiguación del terreno mediante ensayos de disparo y medición. Por último, el desarrollo de los explosivos y los sistemas de iniciación (detonadores secuenciadotes) así como de las técnicas de diseño de voladuras permite aminorar las vibraciones a los valores definidos por la normativa, eliminando las molestias a personas o los daños a las estructuras.
Artículo publicado en la revista Seguridad Minera n°99. Escrito por Por:
Edwin Llamocca Quichca y Rómulo Mucho Mamani, PEVOEX SAC.
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