Aspectos generales de la voladura en bancos

La voladura de rocas en superficie comprende trabajos de explotación minera en bancos de canteras y tajos abiertos, obras de ingeniería civil y vial como excavaciones, canales, zanjas, cortes a media ladera y trabajos especiales como rotura secundaria de pedrones, demoliciones y voladuras controladas (smooth blasting) pero fundamentalmente se concreta en bancos.

Los bancos se definen como excavaciones similares a escalones en el terreno. Su característica principal es la de tener, como mínimo, dos caras libres, la superior y la frontal.

Tipos

Según su envergadura se consideran dos tipos:

1. Voladuras con taladros de pequeño diámetro, de 65 a165 mm.
2. Voladuras con taladro de gran diámetro, de 180 a 450 mm.

Por su aplicación o finalidad son:

1. Convencional. Busca la máxima concentración, esponjamiento y desplazamiento del material roto, aplicada para explotación minera.
2. De escollera. Para obtener piedras de gran tamaño.
3. De máximo desplazamiento (cast blasting). Para proyectar gran volumen de roca a distancia.
4. De cráter. Con taladros cortos y gran diámetro, para desbroce de sobrecapas y otros.
5. Zanjas y rampas. Excavaciones lineares confinadas.
6. Excavaciones viales. Para carreteras, autopistas, laderas y también para producir material fino para ripiado o para agregados de construcción.
7. Para cimentaciones y nivelaciones. Obras de ingeniería civil o de construcción.
8. De aflojamiento o prevoladuras. Fracturamiento adicional a la natural de macizos rocosos, sin apenas desplazarlos, para remover terreno agrícola, incrementar la permeabilidad
   del suelo o retirarlo con equipo ligero o escariadoras (scrapers) etc.
9. Tajeos mineros. Muchos trabajos de minería subterránea se basan en los parámetros de bancos cuando tienen más de dos caras libres, (ejemplos: tajeos VCR, bresting y otros).

Lo que busca una voladura es la máxima eficiencia al menor costo y con la mayor seguridad, lo que se refleja, entre otros aspectos, en:

• Grado de fragmentación obtenido.
• Esponjamiento y rango de desplazamiento.
• Volumen cargado versus tiempo de operación del equipo.
• Geometría del nuevo banco; avance del corte, pisos, estabilidad de taludes frontales y otros, aspectos que se observan y evalúan después del disparo para determinar los costos globales de la voladura y acarreo.

Elementos para el diseño de voladuras en bancos

También denominados parámetros de la voladura, son datos empleados en el cálculo y diseño de disparos. Unos son invariables, como los correspondientes a las características físicas de la roca: densidad, dureza, grado de fisuramiento, coeficientes de resistencia a deformación y rotura, etc; y otros son variables, es decir que podemos modificarlos a voluntad, de acuerdo a las necesidades reales del trabajo y condiciones del terreno. Estos parámetros controlables se pueden agrupar en:

• Geométricos: altura, ancho y largo del banco, talud, cara libre.
• De perforación: diámetro y longitud del taladro, malla.
• De carga: densidad, columna explosiva, longitud de taco, características físico-químicas del explosivo.
• De tiempo: tiempos de retardo entre taladros, secuencia de salidas de los disparos.

Esquemas básicos de voladura

Voladuras de una fila de taladros

• Salida simultánea, para fuerte proyección y rotura gruesa. Alta vibración y fuerte rotura hacia atrás.
• Serie progresiva para reducir la vibración y mejorar la fragmentación. Cuando hay notorios planos de estratificación puede presentar mayor rotura hacia atrás. El orden de salidas puede invertirse si conviene, de acuerdo a la estratificación de la roca.
• Serie alternada de período corto para roca que no cede fácilmente, agrietada por la voladura anterior, que se desintegra rápidamente al primer impulso con riesgo de cortes. El segundo impulso debe llegar antes que la roca se haya desplazado demasiado lejos.
• El incremento de períodos de retardo mejora la fragmentación, reduce la proyección, el ruido y la excesiva rotura hacia atrás.
• Serie alternada de período largo para rocas muy compresibles, debido a su tenacidad, esponjamiento y resiliencia. La primera serie de taladros las comprime hasta el límite antes de recibir el impacto de la segunda que las desplaza.

Voladuras de múltiples filas

• Salidas simultáneas por filas con retardos de un mismo número por fila para obtener mayor fragmentación y formar una pila de escombros baja y tendida. Si se utilizaran detonadores instantáneos habrá mayor vibración y proyección pero menor fragmentación.
• Doble hilera alternada; la primera fila alternada mejora la fragmentación y la doble hilera disminuye la proyección.
• Filas múltiples con salidas en paralelo para conseguir buena fragmentación y una adecuada sobrerotura posterior en rocas de difícil fracturamiento suele incrementarse los tiempos de retardo entre filas; ejemplos: 1 – 3 – 5 en lugar de 1 – 2 – 3.
• Múltiples hileras alternadas secuencialmente, sugerida para bancos de cada libre baja, que suelen presentar serios problemas de vibración. Se puede invertir la secuencia de salidas de acuerdo al rumbo de los planos de estratificación cuando estos incrementen la rotura hacia atrás.
• Salidas en diagonal o echelón. Donde se presente rompimiento en la base de la cara libre con tendencia a excesiva proyección. Esta se puede limitar variando la secuencia con tiempos más cortos.

Una excesiva rotura hacia atrás (back break) se suele limitarse con voladura controlada o amortiguada en la última fila de taladros en voladuras de múltiples filas.

Voladura de cráter en superficie

Mientras que la voladura de banco se caracteriza por su alta relación entre diámetro y longitud de taladro, es decir taladros largos con diámetro relativamente pequeño, la voladura de cráter es inversa su relación entre diámetro y longitud es baja, es decir se trata de voladura poco profunda con taladros de diámetro grande.

En taladros de banco el collar o longitud para el taco es igual al burden (40 Ø) o también 1/3 de su longitud total, con lo que se controla en parte la proyección de fragmentos, pero en los de cráter de baja profundidad, no es posible mantener un largo de taco sin carga explosiva igual al burden pues esto causaría deficiente fragmentación que elevaría los costos de fragmentación secundaria.

Lamentablemente una carga colocada muy cerca de la superficie, como la del cráter, resulta en elevada proyección de fragmentos que se dispersan ampliamente alrededor.

En banco la carga explosiva es larga, cilíndrica y normalmente ocupa 2/3 de la longitud del taladro, mientras que en cráter se emplea una carga concentrada (point charge) que técnicamente se supone sea esférica, pero que en realidad tiene un largo de hasta 6 veces el diámetro del taladro y se coloca a una profundidad crítica, que depende del tipo de roca, del diámetro del taladro y del tipo de explosivo utilizado. Esta profundidad se puede calcular mediante la teoría de Cráter de Livingston, que se basa en la ecuación de energía tensión.

donde N es la profundidad crítica (en pies) de una carga de peso W (en libras), que justamente causa que la superficie de la roca falle y E es el factor de energía-tensión estimado empíricamente.

Livingstone determinó que existe relación entre la profundidad critica N a la cual se perciben, los primeros efectos de acción externa en forma de grietas y el peso de la carga explosiva. Modificó la ecuación reduciendo la profundidad de carga para mejorar la fragmentación, expresándola:

donde:
do: profundidad óptima o distancia desde la superficie al centro de gravedad de la carga se determina con una serie de ensayos, en pies.
r: radio de profundidad (do/N).
W: peso de la carga, en libras.

Los valores usuales dados dependen del valor de E, el cual varía para diferentes características de rocas.

Para estos cálculos las pruebas se efectuarán sobre el mismo tipo de roca y explosivo que piense emplearse en producción. El diámetro del taladro será el mayor posible (ejemplo 115 mm). Los taladros serán perpendiculares a la cara libre. Las cargas tendrán seis diámetros de longitud (6 Ø) bien atacadas, prefiriéndose explosivos densos para roca dura: dinamita, emulsión, hidrogel; mientras que el ANFO, muy poco empleado, sólo conviene para roca blanda.

Peele, por su parte, en su teoría dice que un taladro vertical normal a una superficie horizontal, cargado con explosivo, puede volar el material formando un cráter cónico cuya cara forma un ángulo de proximadamente 45° con dicha superficie.

En este caso la línea de menor resistencia está dada por la profundidad del taladro (L) y el volumen del cráter:

En la práctica el volumen de roca movida se toma como:

donde:
m: 0,4 para roca suave o friable y 0,9 para roca dura o tenaz.

El volumen de cráteres que puedan abrirse independientemente con cargas de peso constante dependerá de la profundidad a la que ellas se coloquen, estimándose básicamente tres niveles.

A profundidad crítica donde comienza el levantamiento del terreno, a profundidad óptima donde el volumen de cráter resultante es el máximo, y a poca profundidad donde la mayor parte de la energía se va al aire en forma de shock (air blast). Es también importante el adecuado espaciamiento entre taladros para lograr su interacción.

La voladura de cráter se emplea eventualmente para la perforación de pozos, para desbroce de minas, mientras que la proyección de fragmento no represente problema, también para casos específicos como la destrucción de pistas de aterrizaje clandestinos y otros tipos de obras.

También se presenta en ocasiones en el banqueo convencional como consecuencia de sobrecarga o de una baja relación de burden, como se observa en el dibujo.

En subterráneo se aplica la voladura de cráter en taladros largos, en el método denominado voladura de cráteres invertidos en retroceso (vertical cráter retreating o VCR).

Respecto a seguridad en voladura de cráter, así como en la de máximo desplazamiento, e incluso en la convencional con sobrecarga, se debe tener presente la “distancia de protección” o distancia mínima de seguridad para el personal y equipos que se estima con la siguiente fórmula práctica:

Voladura de máximo desplazamiento

También denominada voladura de gran proyección y overburden cast blasting. Se emplea cuando se requiere deliberamente desplazar el material disparando mucho más lejos de lo que normalmente ocurre en la voladura de banco convencional.

Se desarrolló en la región carbonífera de Norteamérica para bajar los costos de explotación de los grandes yacimientos horizontales de carbón, en su mayoría cubiertos por una potente capa de roca que en algunos casos pasa de 50 m de espesor, la que debe ser retirada para dejar libre a la capa de carbón para poder explotarla después.

Este método consiste en perforar taladros largos cuyo fondo casi toque la capa de carbón, distribuidos con malla cuadrada ajustada y sobrecargados con explosivos de alta energía y que se disparan por filas con tiempos muy cortos entre taladros, de manera que la salida sea casi simultánea.

Esto logra desplazar entre un 50 a 60% del material volado por encima del manto del carbón, depositándolo lejos de la cara libre del banco, de donde es retirado por arrastre mediante una gran pala de cucharón con arrastre por cable.

Para este método es importante que los burden sean medidos cuidadosamente, ya que el incremento de ellos puede malograr el propósito de proyección al incrementar la resistencia de la roca especialmente en los taladros de la primera fila.

En este caso tendría que aumentarse la carga explosiva para dar mayor energía y poder controlar la velocidad y fuerza de impulsión.

F. Chiappetta ha propuesto una fórmula de primera aproximación obtenida mediante estudios con fotografía de alta velocidad, lo que expresa como:

donde:
Vo = velocidad inicial de un fragmento proyectado desde el frente (m/s)
Energía = kilocalorías por metro = 0,078 x D2 x d x P
b = constante del lugar (1,17)

siendo:
D = diámetro del taladro (cm)
d = densidad del explosivo (g/cm3)
P = potencia absoluta en peso (cal/g)

Lineamientos generales para la ejecución de una voladura cast blasting:

1. Burden igual al espaciamieto con iniciación simultánea entre filas.
2. Taco inerte igual al burden.
3. Altura de banco debe ser aproximadamente igual a cuatro veces el burden.
4. Los retardos entre filas deberán ser entre 7 y 14ms por pie de burden.
5. Se deberán usar los primeros números de la serie de fulminantes para evitar la dispersión y traslape en la secuencia
   de encendido.
6. En el interior de los taladros deben emplearse retardos de período corto para evitar que los taladros adyacentes corten los cables tendidos en la superficie.
7. Siempre que sea posible, cada fila debe ser iniciada con el mismo número de retardo.
8. Si es necesario el control de la vibración, retardos de período corto, entre 17 y 25 ms, se deberán usar entre los taladros de una misma fila.

Esta voladura no se limita a estos yacimientos carbón en Norteamérica, Canadá, Sudáfrica y Australia o canteras y otras explotaciones donde la proyección del material pueda significar ahorro en movimiento de equipo de acarreo como ejemplo. También tiene aplicación en desbroce y preparación de minas o en obras viales donde el desplazamiento de la carga sin necesidad de emplear equipo de acarreo resulta conveniente.