Efectos de la voladura en el macizo rocoso

El proceso de perforación y voladura causa daños en la roca si este no es realizado de manera correcta, afectando principalmente al perímetro de la excavación ya que una voladura deficiente produce un fracturamiento y sobre excavación causando (entre otros) problemas de estabilidad en el macizo rocoso, dilución del mineral, mayor sostenimiento, daños en equipos y, en el peor escenario, pérdidas de vidas humanas.

El objetivo del proceso de voladura es alcanzar la fragmentación requerida de la roca, infringiendo el menor daño posible al macizo remanente. Los daños en las rocas encajonantes y/o hastiales de las labores son una consecuencia del empleo de explosivos. En la actualidad, existen técnicas que ayudan a minimizar los daños en el macizo remanente, resumidas bajo el concepto de “voladura controlada”, que incluye: adecuada perforación, correcta distribución de carga en el taladro, tiempos de retardo y secuencia de detonación determinada (Persson, 1994).

Recomendaciones para minimizar los daños en el macizo rocoso debido a la voladura se incluye:

• Es recomendable determinar el índice de volabilidad y el factor de potencia FP (kg/m3 ) del macizo rocoso para un explosivo determinado, mediante la evaluación de parámetros geomecánicos (ej. Lilly, 1992). En la Tabla 3 se presenta la memoria de cálculo para la determinación del FP.
• Si por razones operativas se requiere un factor de potencia mayor, se debe tomar acciones para minimizar el posible daño en el macizo remanente (ejemplo: emplear tiempos de retardo que produzcan la interferencia destructiva de la vibración, así como emplear cargas desacopladas). (Figura 1)
• La potencia relativa en peso del explosivo es otro parámetro fundamental en el diseño y posterior resultado de la voladura; en la comparación de los explosivos modernos de alta velocidad de detonación intervendrá la potencia del explosivo, que es la velocidad con que se disipa la energía.
• Es muy importante considerar la orientación de la cara libre con respecto a las discontinuidades ya que esto condiciona el rendimiento de la voladura (ejemplo: la granulometría y el factor de potencia tienen relación con este parámetro).
• Se debe tener cuidado en seleccionar el diámetro apropiado del taladro. Además, se deberá conseguir el correcto espaciamiento y la distribución de carga de todos los taladros pre perimetrales e interiores (Persson, 1994).
• El empleo de explosivos de baja potencia en los taladros perimetrales y el uso de cargas explosivas desacopladas ayudará a reducir los daños en el perímetro de las excavaciones.
• Los taladros pre perimetrales e interiores serán diseñados procurando, en lo posible, que su zona de propagación de nuevas fracturas en el macizo remanente, (más allá de la línea de corte), no se adentre en los hastiales, permitiendo reducir los daños en las rocas encajonantes. La Figura 3 muestra el espesor de la zona de generación de nuevas fracturas (en rojo) para tres tipos de taladros (producción, amortiguación y recorte). En la Figura 4, se muestra este criterio de diseño aplicado a la excavación de túnel.
• Minimizar los errores de emboquillado y la desviación por metro lineal del taladro, y procurar que la inclinación de ellos sea la de diseño. Estos controles son fundamentales en voladuras con taladros largos en tajeos por subniveles. La Figura 5 muestra la longitud de los taladros largos en función del diámetro y la desviación de la perforación (Villaescusa, 2014).
• Se recomienda que el operador minero realice el monitoreo de vibraciones especiales medidas en el “campo cercano” a fin de cuantificar el espesor de la zona fracturada en los hastiales. Estas mediciones aportarán elementos de juicio para manipular el esquema de voladura a fin de minimizar los daños (ver Figura 4).
• La selección del tiempo de retardo y la secuencia de detonación adecuada ayudará a disminuir la vibración que llega a los hastiales de la excavación.
• Los operadores encargados de la perforación y voladura deben tener una continua capacitación en el manejo y uso de equipos, explosivos y demás accesorios de voladura, garantizando así la iniciación de los taladros en forma segura y eficiente.
• Es recomendable que las empresas mineras en el diseño y selección de los explosivos y la calidad de los accesorios de voladura (ejemplo: detonadores) cuenten con pruebas independientes a cargo de personal calificado.
• Se realizará en forma continua la revisión de los procedimientos de perforación y voladura. Esta retroalimentación asegurará que el daño en el perímetro de la excavación sea mínimo.
• Se recomienda que las decisiones fundamentales sobre aspectos importantes del diseño y la práctica de voladura sean tomadas por técnicos con sólidos conocimientos de ingeniería de explosivos.
• Las grandes voladuras de producción pueden tener efectos desestabilizantes en las excavaciones contiguas, así como desencadenar actividad micro sísmica que se manifiesta como ruido y lajamiento de hastiales en tajeos. Estas ocurrencias deberán ser registradas, de tal manera que se señale su ubicación, hora, intensidad, efectos desestabilizantes, número de eventos, etc. El seguimiento de estos eventos permitirá realizar cambios en el esquema de voladura, como: variación en la distribución de carga del taladro, empleo de cargas desacopladas, variación en la secuencia de salida y en el tiempo de retardo.
• Tener en cuenta que la ocurrencia de ruido de roca no significa necesariamente que se debe instalar un sistema de monitoreo sísmico; sólo si estos eventos aumentan y si se producen daños en la superficie de las excavaciones y/o en el sostenimiento se justificaría la instalación de la red de monitoreo sísmico en la mina ya que podría ser un indicio de actividad microsísmica futura.

Control de parámetros geomecánicos para prevenir la sobre excavación

Con la información obtenida del monitoreo de vibraciones, en el campo cercano, es posible cuantificar el espesor de la zona dañada por la voladura en los hastiales de la excavación. A continuación, se muestran los criterios de estimación de los parámetros que controlan la sobre excavación:

1. Determinar la velocidad critica de vibración de partícula

a – Velocidad critica de vibración con el criterio de rotura sueco (mm/s) (López Jimeno, Madrid 2003)

b – Velocidad crítica de vibración con el criterio de extensión de las fracturas pre existentes, CANMET (López Jimeno, Madrid 2003)

2. Realizar el monitoreo de vibraciones en el Campo Cercano

La Figura 2 muestra la ubicación con respecto al eje del taladro, del geófono triaxial de alta frecuencia.

• Ley de atenuación de la vibración medida en el campo cercano (Holmberg y Persson, 1997), ecuación 25, mediante el análisis de regresión se determinarán las constantes empíricas: Κ, α. Se recomienda que la cantidad mínima de muestras sea 10 mediciones válidas por cada variable independiente, a fin de que el coeficiente de determinación de la regresión, no resulte sesgado.

3. Criterio de diseño

Se recomienda el siguiente criterio de diseño: “La zona de propagación de nuevas fracturas (criterio sueco de rotura) generada por la detonación de los taladros interiores, en lo posible será tangente al perímetro de la excavación”.

Ejemplo de Aplicación: Para determinar el espesor de la zona de daños en los hastiales, debido a la detonación de taladros largos de 15.5 m de longitud en un tajeo, se detonaron tres tipos de taladros: de producción, amortiguación y recorte. Las velocidades criticas de vibración son: Vcrit.S = 456 mm/s. Vcrit.C = 120 mm/s, además K = 390 y α = 0.9

La Figura 3 muestra el espesor de la zona dañada entre el taladro y el perímetro de la excavación, (colores: rojo: rotura, rosado: propagación de las fracturas preexistentes y azul; sin efecto)

Solución:

1. a) Taladros de producción, el espesor de la zona de daños es 6 m.
2. b) Taladros de amortiguación, el espesor de la zona de daños es 4m.
3. c) Taladros de recorte, el espesor de la zona de daños, se adentra 1.3 m en el hastial.

Control de sobre excavación en excavación de túneles

En la tabla 2 se muestra la secuencia de avance y la cantidad de explosivos para diversas calidades de roca. El avance por disparar varía entre 1.5 m a 2.8 m (la tabla es referencial y cada unidad minera deberá obtener sus índices propios). La Figura 6, muestra la PPV (Velocidad Pico Partícula) y la distancia escalada para diferentes calidades del macizo rocoso (Cáceres 2011) estos umbrales pueden ser empleados en el diseño de voladura.

Ejemplo 1: Índice de Volabilidad (BI) de un macizo rocoso que tiene los siguientes parámetros: RMC = 20, JPS = 20, JPO = 20 ,SG = 3.2 T/m3 , Rc = 150 MPa

Solución:

Indice de volabilidad:

BI = 0.5 ( 20 + 20 +20 +30 +7.5 ) = 48.8

Factor de potencia : FP = 0.004 x 48.8 = 0.19 kg(de Anfo) /TM

Ejemplo 2: Para el caso anterior , determinar el FP considerando el explosivo EMULSION-S , que tiene una SANFO = 1.25

FP empleando EMULSION – S : 0.19 (kg de Anfo) / 1.25 = 0.15 kg(EMULSIÓN- S) /TM

El Indice de Volabilidad es una medida del grado de dificultad para fragmentar una roca con un explosivo y llevarla a un tamaño determinado. Conociendo el BI se determinará el factor de potencia en kg de Anfo por tonelada de roca y para obtener el FP empleando un explosivo diferente de Anfo se usará la expresión:

FP = 0.004 BI / SANFO

Donde: S ANFO = Potencia relativa en peso del explosivo a emplear con respecto al Anfo normal

Fuente: Osinergmin