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PERFORACION YVOLADURA DE ROCAS IVICTOR AMES LARAPERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS IAUTOR:VICTOR ALEJANDRO AMES LARAINGENIERO DE MINASM. Sc. EN INGENIERIA DE MINAS – U.N. DOCTOR EN SEGURIDAD Y CONTROL EN MINERÍADOCENTE: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DOCENTE UNIVERSI...

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PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS I

VICTOR AMES LARA

PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS I AUTOR: VICTOR ALEJANDRO AMES LARA INGENIERO DE MINAS M. Sc. EN INGENIERIA DE MINAS – U.N.I. DOCTOR EN SEGURIDAD Y CONTROL EN MINERÍA DOCENTE: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DOCENTE UNIVERSITARIO

QUINTA EDICIÓN – MARZO 2019 PERU

ii

A Soledad, compañera de mi felicidad. A mis hijos Paolo, Renzo y Gianella, mi esperanza. A mis padres Félix Ames Sánchez y Bernardina Lara Balbín (+).

iii

PROLOGO El compromiso asumido al inicio de la edición de Perforación y Voladura de Rocas me ha dado la oportunidad de adjuntar información respecto a la influencia de la geomecánica en los resultados de la voladura de producción. Agradezco la acogida de las ediciones anteriores, por los aportes de los profesionales y estudiantes de ingeniería de minas, las cuales permitieron revisar algunos capítulos de las ediciones pasadas. Los aportes de los lectores y la investigación cotidiana de los adelantos de la perforación y voladura permitirán la mejora continua del presente, para poner a disposición de la industria minera, los elementos básicos de estas operaciones mineras. El Autor.

iv INDICE Página DEDICATORIA PROLOGO INDICE

ii iii iv

CAPITULO 1. PERFORACION DE ROCAS 1.1 DEFINICION 1 1.2 SISTEMAS DE PENETRACION 1 1.3 TIPOS DE PERFORACION 1 1.3.1 Perforación Manual 1 1.3.2 Perforación Mecanizada 1 1.4 PERFORACION POR TIPOS DE TRABAJO 3 1.4.1 Perforación de Banqueo 3 1.4.2 Perforación de Avance de Galerías y Túneles 3 1.4.3 Perforación de Producción 3 1.4.4 Perforación de Chimeneas 3 1.4.5 Perforación para Sostenimiento de Rocas 3 1.5 PROPIEDADES DE LAS ROCAS QUE AFECTAN LA PERFORACION 4 1.5.1 Dureza 5 1.5.2 Resistencia 5 1.5.3 Elasticidad 5 1.5.4 Plasticidad 6 1.5.5 Abrasividad 6 1.5.6 Textura 7 1.5.7 Estructura 7 CAPITULO 2. PROPIEDADES DEL MACIZO ROCOSO QUE INFLUENCIAN EN LOS RESULTADOS DE LA VOLADURA DE ROCAS 2.1 INTRODUCCION 8 2.2 EL MACIZO ROCOSO 8 2.2.1 Densidad 9 2.2.2 Resistencias dinámicas de las rocas 10 2.2.3 Módulo de Young 10 2.2.4 Relación de Poisson 11 2.2.5 Módulo de Bulk o Compresibilidad 12 2.2.6 Velocidad de la Onda Longitudinal 13 2.2.7 Porosidad 14 2.2.7.1 Intergranular 14 2.2.7.2 De disolución 14 2.2.8 Fricción Interna 14 2.3 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS Y GEOTÉCNICAS DE UN AREA EN ESTUDIO 15 2.3.1 Litología 15 2.3.2 Fracturas Preexistentes 15 2.3.3 Tensiones de Campo 16 2.3.4 Presencia de Agua 17 2.3.5 Temperatura del Macizo Rocoso 17

v 2.4 TECNICAS DE CARACTERIZACION GEOMECANICA DE LOS MACIZOS ROCOSOS 2.4.1 Sondeos con Recuperación de Testigos y Ensayos Geomecánicos 2.4.2 Características de los Sistemas de Discontinuidades 2.4.2.1 Indice de Volabilidad BI (Blastability Index), según Lilly (1986, 1992) 2.4.2.2 Consumos Específicos (CE) o Factores de Energía (FE) a partir del BI 2.4.3 Sísmica de Refracción 2.4.4 Técnicas Geofísicas de Sondeos de Investigación 2.4.5 Testificación de los Taladros de Producción

17 17 19 20 21 22 23 23

CAPITULO 3. TEORIA DE VOLADURA 3.1 INTRODUCCION 25 3.2 EVENTOS EN EL TIEMPO DEL PROCESO DE FRAGMENTACION 26 3.2.1 E1 – Detonación 27 3.2.2 E2 - Propagación de la Onda de Choque o Esfuerzo 27 3.2.3 E3 – Presión los Gases 28 3.2.4 E4 - Movimiento de la Masa 29 3.3 COMBINACION DE LOS EVENTOS DEL PROCESO DE FRAGMENTACION 29 3.4 RADIO DE ROTURA 30 3.5 TEORIAS DE VOLADURA 32 3.5.1 Teoría de la Reflexión 33 3.5.2 Teoría de la Expansión de los Gases 35 3.5.3 Rotura por Flexión (Una Teoría de la Expansión de Gases) 36 3.5.4 La Onda de Esfuerzo y la Teoría de la Expansión de los Gases 38 3.5.5 Expansión de gas, Ondas de Tensión, Efecto de la onda de la tensión, y Reflexión (teoría combinada) 39 3.5.6 Teoría de las ondas de esfuerzos en nucleo de fallas 41 3.5.7 Teoria de la torsión 45 3.5.8 Teoría de cráter 46 3.5.8.1 Mecanismos de la Formación de Cráteres 49 3.6 DESACOPLAMIENTO 54 CAPITULO 4. DISEÑO DE VOLADURA DE ROCAS EN MINERIA SUPERFICIAL 4.1 INTRODUCCION 57 4.2 PARAMETROS GEOMETRICOS 57 4.2.1 Diámetro del taladro 57 4.2.2 Burden 57 4.2.3 Espaciamiento 58 4.2.4 Altura de banco 58 4.2.5 Sobre perforación 58 4.2.6 Taco 58 4.3 PRINCIPALES MODELOS MATEMATICOS PARA EL CALCULO DEL BURDEN 59 4.3.1 Fórmula de Andersen 60

vi 4.3.2 4.3.3

Modelo Matemático de Hino Kumao Teoría y Modelo Matemático de Richard L. Ash 4.3.3.1 Relación de burden (kb) 4.3.3.2 Relación de profundidad de taladro (kH) 4.3.3.3 Relación de subperforación (kJ) 4.3.3.4 Relación de taco (kT) 4.3.3.5 Relación de espaciamento (kS) 4.3.4. Teoría de C. J. Konya 4.3.4.1 Espaciamiento (S) 4.3.4.2 Taco (T) 4.3.5 Teoría de G. E. Pearse 4.3.6 Modelo Matemático de Langefors 4.3.7 Teoría de la Conminución 4.3.7.1 Modelo matemático 4.3.7.2. Determinación del burden 4.4 EJEMPLO DEL CALCULO DEL BURDEN USANDO LA TEORIA DE LA CONMINUCION 4.4.1 Datos para el diseño 4.4.2 Cálculo de la energía total de deformación requerida 4.4.3 Cálculo de la energía entregada por el explosivo 4.4.4 Diseño de la malla de perforación y voladura 4.5 OTROS AUTORES 4.6 VOLADURA CON RETARDO DE MILISEGUNDOS 4.7 SECUENCIA DE INICIACION DE TALADROS CON CARGA 4.7.1 Voladuras con una sola fila 4.7.2 Voladuras con filas múltiples 4.8 PLANTILLAS DE PERFORACION 4.9 PLANTILLAS DE RETARDO EN MILISEGUNDOS 4.9.1 Burden verdadero 4.9.2 Plantillas cuadradas 4.9.3 Plantillas rectangulares BIBLIOGRAFIA ANEXOS

60 61 61 61 62 62 62 62 63 63 63 64 65 66 68 71 71 71 72 72 83 84 85 85 85 86 86 86 88 89

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CAPITULO 1. PERFORACION DE ROCAS 1.1 DEFINICIÓN La perforación de las rocas en el campo de la voladura es la primera operación unitaria que se realiza en la actividad minera; tiene como propósito abrir unos huecos (taladros), en una distribución geométrica adecuada en los macizos rocosos para su posterior arranque, aquí se alojará el explosivo y los accesorios de los sistemas de iniciación a usar.

Figura 1.1 Perforación en minería subterránea

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Figura 1.2 Perforación en minería superficial 1.2 SISTEMAS DE PENETRACION Los sistemas de penetración en la roca que han sido desarrollados hasta la actualidad son los siguientes: i. Mecánicos: Percusión, rotación y roto percusión. ii. Térmicos: Soplete o lanza térmica, plasma, fluidos calientes y congelación. iii. Hidráulicos: Chorro de agua, erosión y cavitación. iv. Químicos: Micro voladura y disolución. v. Eléctricos: Arco eléctrico e inducción magnética. vi. Sísmico: Rayo láser. vii. Nucleares: Fusión y fisión En la actividad minera la más utilizada es la de energía mecánica, en donde los componentes principales de un sistema de perforación de este tipo son: la perforadora que es la fuente de la energía mecánica; el varillaje que es el medio de transmisión de la energía mecánica; la broca que es el elemento útil que ejerce sobre la roca dicha energía y el fluido de barrido que realiza la limpieza y evacuación de los detritos producidos.

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1.3

TIPOS DE PERFORACION 1.3.1 Perforación Manual Se ejecuta con equipos ligeros manejados a mano por los perforistas. Se utiliza en labores de dimensiones menores que no permiten el uso de máquinas perforadoras pesadas.

Figura 1.3 Perforación manual 1.3.2 Perforación Mecanizada Los equipos de perforación van montados sobre estructuras, con los que el operador puede controlar todos los parámetros de la perforación desde posiciones cómodas. Las estructuras o chasis pueden ir montadas sobre neumáticos u orugas y pueden ser automotrices o remolcables.

Figura 1.4 Perforación mecanizada en minería superficial PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS I

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Figura 1.5 Perforación mecanizada en minería subterránea

1.4 PERFORACION POR TIPOS DE TRABAJO Por los tipos de trabajo, tanto en superficie como en subterráneo pueden clasificarse en los siguientes: 1.4.1 Perforación de Banqueo Es el mejor método para la voladura de rocas, ya que se dispone de un frente libre para la proyección del material y permite una sistematización de las operaciones. Se utiliza en trabajos a cielo abierto y subterráneo con taladros verticales y horizontales. 1.4.2 Perforación de Avance de Galerías y Túneles Se requiere abrir un hueco inicial o corte hacia el cual salen el resto de roca fragmentada por los demás taladros con carga explosiva. La perforación de los taladros se realiza manualmente, pero la tendencia es la mecanización total con el empleo de máquinas perforadoras jumbo de uno o varios brazos, en particular en la minería sin rieles. 1.4.3 Perforación de Producción Este concepto es utilizado en los trabajos de explotación de minas, principalmente en la explotación subterránea, y se realiza en las labores de extracción del mineral.

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1.4.4 Perforación de Chimeneas Aunque existe una tendencia hacia la utilización del método raise boring, aún en la actualidad se utiliza la perforación de chimeneas con máquinas manuales y otros con el método de taladros largos y otros sistemas especiales tales como el método Alimak. 1.4.5 Perforación para Sostenimiento de Rocas En muchas obras subterráneas y algunas a cielo abierto es necesario realizar el sostenimiento de las rocas, para lo cual la perforación de la roca es la fase inicial para este tipo de trabajos.

1.5 PROPIEDADES DE LAS ROCAS QUE AFECTAN LA PERFORACION Entre las principales propiedades de las rocas que afectan en los mecanismos de penetración y en la selección de método de penetración se tiene a los siguientes: Dureza, resistencia, elasticidad, plasticidad, estructuras, características de rotura entre otras.

abrasividad,

textura,

1.5.1 Dureza La dureza de una roca es la resistencia de una capa superficial a la penetración en ella de otro cuerpo más duro. Esta depende de la composición de los granos minerales constituyentes, de la porosidad, del grado de humedad, etc. Las rocas se clasifican en cuanto a su dureza de acuerdo a la escala de Mohs, existiendo una cierta correlación entre la dureza y su resistencia. a la compresión. Tabla 1.1 Relación entre dureza y resistencia CLASIFICACION Muy dura Dura Medio dura Media blanda Blanda Muy blanda

DUREZA RESISTENCIA A LA ESCALA COMPRESION (MPa) DE MOHS +7 +200 6–7 120 -200 4,5 - 6 60 -120 3 – 4,5 30 – 60 2–3 10 – 30 1–2 -10 PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS I

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1.5.2 Resistencia mecánica La resistencia mecánica de una roca es la propiedad de oponerse a su destrucción bajo una carga exterior, estática o dinámica. Esencialmente la resistencia de una roca depende de su composición mineralógica, a mayor contenido de cuarzo mas resistencia, por tener una resistencia mayor a 500 MPa, y en su defecto menor resistencia; además depende del tamaño de sus cristales disminuyendo con el mayor tamaño de los mismos; ésto es significativo cuando el tamaño de los cristales es menor a 0,5 mm. 1.5.3 Elasticidad Las propiedades elásticas de las roca se caracterizan por el módulo de elasticidad de Young (E) y el coeficiente de Poisson (v). Estas características a su vez dependen fundamentalmente de la composición mineralógica, porosidad, tipo de deformación y magnitud de la carga aplicada. Según el carácter de deformación en función a las tensiones estáticas se consideran los siguientes grupos: • Elasto-frágiles, que siguen la ley de Hooke. • Plástico-frágiles, a cuya destrucción precede la deformación plástica. • Altamente plásticas o porosas, cuya deformación elástica es insignificante. 1.5.4 Plasticidad En algunas rocas a la destrucción le precede la deformación plástica. Esto se inicia cuando las tensiones en la roca superan el límite de elasticidad. En el caso de un cuerpo idealmente plástico tal deformación se desarrolla con una tensión invariable. En el caso de las rocas reales se deforman consolidándose al mismo tiempo; para el aumento de la deformación plástica es necesario el incremento del esfuerzo. La plasticidad depende de la composición mineral de las rocas y disminuye con el aumento del contenido del cuarzo, feldespato y otros minerales. Las arcillas húmedas y algunas rocas homogéneas poseen altas propiedades plásticas.

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Figura 1.6 Curvas típicas de esfuerzo - deformación

1.5.5 Abrasividad La abrasividad es la capacidad de las rocas para desgastar la superficie de contacto de otro cuerpo más duro, en el proceso de rozamiento durante movimiento. Los factores que incrementan la capacidad abrasiva de las rocas son: i. La dureza de los granos constituyentes. Las que contienen granos de cuarzo son más abrasivos. ii. La forma de los granos. Los angulosos son los más abrasivos. iii. El tamaño de los granos. iv. La porosidad. Porque da lugar a superficies de contacto rugosas. v. La heterogeneidad, es decir cuando son rocas poliminerales. Para evaluar la abrasividad de una roca existen los siguientes métodos: i. Indice de abrasividad mineral Rosiwal. ii. Indice de desgaste (F). iii. Indice de abrasividad Cerchar (CAI). iv. Indice de vida de los cortadores (CLI). v. Indice de molienda Hardgrove. 1.5.6 Textura La textura de una roca se refiere a la estructura de sus granos constituyentes. Se manifiesta a través del tamaño de los granos, la forma, la porosidad, etc. La perforación es más difícil cuando el grano es de forma lenticular que redondo. También influye el material de la matriz (de la roca) que

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une los granos de mineral. Las rocas porosas son más fáciles de perforar por su baja densidad. 1.5.7 Estructura Las propiedades estructurales de los macizos rocosos, tales como la esquistosidad, los planos de estratificación, juntas, diaclasas y fallas así como el rumbo y el buzamiento de éstas afectan a la perpendicularidad, linealidad o la dirección requerida de los taladros, a los rendimientos de perforación y a la estabilidad de la pared de los taladros

Figura 1.7 Estructuras en los macizos rocosos.

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CAPITULO 2. PROPIEDADES DEL MACIZO ROCOSO QUE INFLUENCIAN EN LOS RESULTADOS DE LA VOLADURA DE ROCAS 2.1 INTRODUCCION Las propiedades macizo rocoso son muy importantes en las operaciones de perforación y voladura, por ser el medio en el que actuará los explosivos. Existen diferencias significativas aún entre rocas de la misma zona en una determinada mina por lo que necesario cuantificar algunas de sus propiedades. Por lo que en esta parte, se estudiará las principales propiedades del macizo rocoso. 2.2 EL MACIZO ROCOSO Las propiedades de las rocas constituyen el principal obstáculo en el camino hacia una voladura óptima. Los materiales poseen ciertas características que son función de su origen y de los procesos geológicos posteriores que actuaron sobre ellos. El conjunto de estos fenómenos conduce a un determinado entorno, a una litología en particular con unas heterogeneidades debido a los agregados minerales policristalinos y a las discontinuidades de la masa rocosa (poros y fisuras), y a una estructura geológica con un gran número de discontinuidades (planos de estratificación, fracturas, diaclasas, etc.). En la figura 2.1, se establece la interdependencia que existe entre las propiedades de las rocas, las variables controlables y algunas de las operaciones básicas del ciclo minero. Para seleccionar la mezcla explosiva que mejor se adecue a las propiedades del macizo rocoso es necesario definir las mismas desde el punto de vista físico y geológico. Las siguientes propiedades físicas y mecánicas influencian en la reacción del macizo rocoso a la energía producida por la detonación de un explosivo: 1. Densidad. 2. Resistencia a la compresión y tracción. 3. Módulo de Young. PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS I

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4. Relación de Poisson. 5. Módulo de Bulk o compresibilidad. 6. Velocidad de la onda longitudinal. 7. Porosidad. 8. Fricción interna.

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2.2.1 Densidad Es una relación física de la masa por una unidad de volumen. Las rocas densas requieren una mayor cantidad de energía para lograr una fragmentación satisfactoria, así como un buen desplazamiento y esponjamiento del escombro. El impulso impartido a la roca por acción de los gases se puede representar por la siguiente ecuación: tv

∫0 p. a. dt = M . v Donde: p = Presión de los gases en el instante "t". a = Area sobre el que actúan los gases en el instante "t". M = Masa que corresponde desplazar al taladro. v = Velocidad de proyección. tv= Tiempo en que los gases actúan hasta escapar a la atmósfera. De su análisis se deduce que en rocas densas se deben tomar las medidas siguientes: 1. Aumentar el diámetro de perforación (la presión del taladro aumenta en algunos explosivos como el ANFO, con el diámetro del taladro). 2. Reducir el esquema (espaciamiento efectivo por altura del banco) y modificar la secuencia de encendido. 3. Controlar la efectividad del retacado con el fin de aumentar "tv", y hacer que los gases escapen por el frente libre y no por el retacado. 4. Utilizar explosivos con alta energía de burbuja.

2.2.2 Resistencias dinámicas de las rocas Las resistencias estáticas a compresión y tracción se utilizaron en un principio como parámetros indicativos de la roca a la voladura. El tratamiento de los problemas reales obliga a considerar las resistencias dinámicas, ya que éstas aumentan con el índice de carga, pudiendo alcanzar valores entre 5 y 13 veces el valor de las estáticas.

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2.2.3 Módulo de Young El módulo de Young (E) estático se define por: E=

dF / A dL / L

Donde: dF/A es el esfuerzo unitario. dL/L es la deformación unitaria. Para determinar las deformaciones elásticas provocadas en el mecanismo de voladura, es preciso definir los módulos elásticos del material mediante métodos dinámicos (sísmicos) en vez de mecánicos (estáticos).

Tomando en cuenta que las velocidades de propagación de las ondas sísmicas son función de las características de los materiales a través de los cuales se propagan, es posible servirse de ellas para calcular, previa determinación de la densidad en laboratorio, el módulo de Young dinámico (Ed): Ed = δ .Vs 2 .

Vp 2 ) −4 Vs Vp ( )2 −1 Vs

3(

Donde: Vp: velocidad de propagación de las ondas longitudinales. Vs: velocidad de propagación de las ondas transversales. δ : densidad. También se puede utilizar la ecuación siguiente: Ed = 2 δ Vs2 (1 + v) Donde: v: relación de Poisson O: Ed = δ Vp2 En un comportamiento elástico, E es constante. La curva tensión deformación es constante.

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Cuando el módulo de Young es alto, los gases del explosivo encontrarán resistencia para comprimir y dilatar la roca. Algunos valores característicos del módulo de Young son los siguientes: TABLA 2.1 Valores E característicos de algunos materiales MATERIAL E (kg/cm2) Granito

(2 - 6)x 105 (7 -10)x 105

Diorita Dolomita

(4 - 8)x 105 (6 – 10)x 105

Basalto

2.2.4 Relación de Poisson Esta relación está definido por: ν=

dS / S dL / L

Donde: dS/S es el cambio unitario del área. dL/L es la deformación longitudinal unitaria También puede determinarse de las mediciones de las velocidades de propagación de las ondas sísmicas, con la ecuación siguiente:

(

Vp 2 ) −2

(

Vp 2 ) −1 Vs

ν = 0,5. Vs

.