Análisis y Diseño de La Operación de Perforación y Voladuras en Minería de Superficie Empleando El Enfoque de La Programación Estructurada

8/18/2019 Análisis y Diseño de La Operación de Perforación y Voladuras en Minería de Superficie Empleando El Enfoque de L…

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA OPERACIÓN DE PERFORACIÓN Y VOLADURAS EN MINERÍA DE SUPERFICIE EMPLEANDO

EL ENFOQUE DE LA PROGRAMACIÓN ESTRUCTURADA

ANALYSIS AND DESIGN OF DRILLING AND BLASTING OPERATION

ON OPEN PIT MINING USING FOCUS ON STRUCTURED

PROGRAMMING

JUAN CARLOS DÍAZ-MARTÍNEZ

Ing., Universidad Nacional de Colombia, [email protected]

MELISSA ANDREA GUARÍN-ARAGÓN

Ing., Universidad Nacional de Colombia, [email protected]

JOVANI ALBERTO JIMÉNEZ-BUILES

Ph. D., Universidad Nacional de Colombia, [email protected]

Rec!"# $%&% e'%()%c*+, . J)+#/01 Ace$2%c*+, 0 Se$2e3!&e, /0 1

Rec!"% Ve&4*+ F+%(, /5 Dce3!&e /0

RESUMEN, En este artículo se presenta el análisis y el diseño de la operación de

perforación y voladuras en minería de supercie empleando el enfoque de la

programación estructurada. El propósito de este trabajo es crear una interfaz, por

medio de la cual se ingresan la densidad del eplosivo, diámetro e inclinación de la

perforación, resistencia a la compresión de la roca y dimensiones del banco. !uego se

obtiene el valor de las variables más importantes que acondicionan el diseño de la

operación de perforación y voladuras, tales como" altura del banco, burden,

espaciamiento, taco, carga del barreno, numero de barrenos, factor de carga, entre

otras.

Esta aproimación permite diseñar la operación de perforación y voladuras en menor

tiempo y disminuir el error #umano que se tiene por el uso repetitivo de las fórmulas

para cálculos de los parámetros involucrados en el diseño de la perforación y voladura

en minería de supercie.

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PALABRAS CLAVE, $erforación, voladura, minería, minería ilegal, programación

estructurada.

ABSTRACT, %#is article s#o& analysis and design drilling and blasting operation on

surface mining it focus on structured programming. %#e idea about t#is article a

program ere you can introduce di'erent variables li(e, eplosive density, diameter,

inclination drilling, compressive strengt# roc( and roc( mass design, after t#at, &e get

most important variables for t#is design li(e roc( mass #eig#t, burden, spacing, #ole

c#arging , #ole number, load factor.

%#is article #as allo&ed design drilling and blasting operation a lo&er time and get

do&n mista(e of t#e people t#at get it for repetitive use of calculation for parameter

used in t#is design in drilling and blasting operation on surface mining.

6EY7ORDS, )rilling, blasting, mining, illegal mining, structured programming.

08 INTRODUCCIÓN

En la *ltima d+cada la minería #a cobrado gran importancia dentro del conteto

nacional por su aporte a la economía, representada en el aumento de las eportaciones

y contribución al crecimiento del producto interno bruto colombiano -árdenas y eina,

/0012. El escenario minero nacional está dominado por los sectores auríferos, la

industria del ferroníquel y el sector carbonífero. Estos dos *ltimos son posibles en su

mayoría por la aplicación de los m+todos de minería a cielo abierto.

!a optimización de las eplotaciones mineras a cielo abierto, es en la actualidad, una

#erramienta que le permite a las diferentes empresas eplotadoras de los recursos

minerales aumentar la vida de sus diferentes proyectos mineros, eplotar recursos

minerales de menor tenor, incrementar las reservas probadas del mineral de inter+s y

obtener utilidades mayores, entre otros. !o anterior se da como una función del

planeamiento y diseño minero, teniendo en cuenta que un yacimiento mineral es un

negocio 3ustrulid y 4uc#ta, /0052. !a operación de perforación y voladuras afectan el

costo de la operación directamente y los costos operativos totales 6usuyi, /0072.

En minería, la optimización se lleva a cabo mediante la evaluación y análisis de cada

una de las operaciones unitarias necesarias para la etracción del recurso mineral de

inter+s 8feni y 9sasan, /0072. :na de estas, es la operación de perforación y voladura,

la cual es uno de los m+todos de arranque de material más utilizado, ya que permite

obtener mayor cantidad de material arrancado en un tiempo más cortó ;elie# et al.,

/0072. $uede ser empleado en rocas con diferentes propiedades físicas y mecánicas,


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además ofrece una adecuada fragmentación del material, aspecto que es fundamental

para la remoción y transporte de material volado.

En este artículo se presenta el diseño y análisis de la operación de perforación y

voladura en minería de supercie. !a metodología utilizada fue la programación

estructurada, la cual permite diseñar y analizar con facilidad algoritmos que por medio

del ingreso de datos variables de entrada2, y la ejecución de ciertos cálculos

procesamiento2, es posible encontrar la solución a un determinado problema de

manera secuencial.

$ara el diseño de las voladuras es necesario realizar ciertos cálculos matemáticos y

tener en cuenta varias consideraciones, que #acen de este, una operación compleja.

)ebido a lo anterior, es necesario idear un m+todo que permita obtener un diseño de

voladura más sencillo y en menor tiempo. $or tal motivo, se #a creado un algoritmo,

que permite calcular todas las variables necesarias para el diseño óptimo de la

voladura, mediante el ingreso de datos claves para dic#o cálculo.

En el siguiente capítulo se presenta el marco teórico de referencia #aciendo +nfasis en

la importancia de la operación de perforación y voladuras en minería de supercie. En

los capítulos tres y cuatro se eponen las fases de la metodología y análisis de los

resultados respectivamente< para nalmente en el capítulo cinco presentar las

conclusiones.

8 MARCO TEÓRICO DE REFERENCIA

808 L% Pe&9#&%c*+ "e c%4

!a perforación es la primera operación en la preparación de una voladura 4arlins(i et

al., /0072. =u propósito es el de abrir en la roca #uecos cilíndricos destinados a alojar al

eplosivo y sus accesorios iniciadores, denominados taladros, barrenos, #oyos o blast

holes. Esta operación es necesaria para logar el connamiento del eplosivo y

aprovec#ar mejor las fuerzas epansivas >ue et al., /0072.

=e basa en principios mecánicos de percusión y rotación, cuyos efectos de golpes y

fricción producen el astillamiento y trituración de la roca en un área equivalente al

diámetro de la roca y #asta una profundidad dada por la longitud del barreno utilizado.

!a eciencia en perforación consiste en lograr la máima penetración al menor costo

-entro %ecnológico de ?oladura E@=8 =. 8, /0072.

!os m+todos de perforación más empleados son los m+todos rotativos y rotopercutivos

Aranca, /0B/2. =iendo este *ltimo el sistema más clásico de perforación de barrenos.


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!a perforación a rotopercusión se basa en la combinación de las siguientes acciones"

percusión, rotación, empuje y barrido Cang et al., /0B02.

!a operación de perforación depende directamente de la dureza y abrasividad de la

roca -orrea, /0072. !a fragmentación de la roca se considera el parámetro más

importante en las operaciones de minería a causa de sus efectos directos sobre los de

perforación y voladuras ;orin y Aicarazzon, /0052. !a resistencia de la roca determina

el m+todo o medio de perforación a emplear" rotación simple o rotopercusión. $or lo

general cuanto más blanda sea la roca mayor debe ser la velocidad de perforación. $or

otro lado, cuanto más resistente sea a la compresión, mayor fuerza y torque serán

necesarias para perforarla -entro %ecnológico de ?oladura E@=8 =.8 /0072.

88 V#(%")&%

!a voladura es uno de los medios principales de etracción de minerales en las

operaciones de minería a cielo abierto. El propósito principal de la operación de

voladura es la fragmentación de la roca y para esto se requiere de una gran cantidad

de eplosivos. !os eplosivos liberan una gran cantidad de energía durante la

eplosión, en donde, sólo el /0D0F es utilizada para la ruptura y el desplazamiento de

las rocas, mientras que el resto de esta energía es desperdicia en forma de efectos

secundarios ambientales G#asemi et al., /0BB2.

!a voladura se puede denir como la ignición de una carga masiva de eplosivos. El

proceso de voladura comprende el cargue de los #uecos #ec#os en la perforación. -on

una sustancia eplosiva, que al entrar en acción origina una onda de c#oque y,

mediante una reacción, libera gases a una alta presión y temperatura de una forma

substancialmente instantánea, para arrancar, fracturar o remover una cantidad de

material seg*n los parámetros de diseño de la voladura misma Glosario %+cnico

;inero, /002.

!a fragmentación de rocas por voladura comprende a la acción de un eplosivo y a la

consecuente respuesta de la masa de roca circundante, involucrando factores de

tiempo, energía termodinámica, ondas de presión, mecánica de rocas y otros, en un

rápido y complejo mecanismo de iteración -entro %ecnológico de ?oladura E@=8 =. 8,

/0072.

!a fragmentación del macizo rocoso es causada inmediatamente despu+s de la

detonación. El efecto de impacto de la onda de c#oque y de los gases en rápida

epansión sobre la pared del taladro, se transere a la roca circundante, difundi+ndose

a trav+s de ella en forma de ondas o fuerzas de compresión, provocándole solo

deformación elástica, ya que las rocas son muy resistentes a la compresión. 8l llegar

estas ondas a la cara libre en el frente de voladura causan esfuerzos de tensión en la

masa de roca, entre la cara libre y el taladro. =i la resistencia a la tensión de la roca es


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ecedida, esta se rompe en el área de la línea de menos resistencia burden2. En este

caso las ondas reHejadas son ondas de tensión que retornan al punto de origen

creando suras y grietas de tensión a partir de los puntos y planos de debilidad

naturales eistentes, agrietándola profundamente efecto de craquelación2 -entro

%ecnológico de ?oladura E@=8 =. 8, /0072.

-asi simultáneamente, el volumen de gases liberados y en epansión penetra en las

gritas iniciales ampliándolas por acción de cuña y creando otras nuevas, con la que se

produce la fragmentación efectiva de la roca. =i la distancia entre el taladro y la cara

libre está correctamente calculada la roca entre ambos puntos cederá. !uego los gases

remanentes desplazan rápidamente la masa de material triturado #acia adelante,

#asta perder su fuerza por enfriamiento y por aumento del volumen de la cavidad

formada en la roca. En este momento en que los fragmentos o detritos caen y se

acumulan para formar la pila de escombros o material volado. -oncluyendo de esta

forma el proceso de voladura -entro %ecnológico de ?oladura E@=8 =. 8, /0072.

:8 METODOLOGIA

En este capítulo se presenta la descripción de las variables de diseño de las voladuras

variables de entrada2 y el algoritmo empleando para el cálculo de los parámetros que

acondicionan la operación de perforación y voladura.

:808 V%&%!(e4 "e "4e;# "e (%4 '#(%")&%4

:80808 D


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:808: De+4"%" "e( E@$(#4'#, es el peso especíco gLcm a mayor densidad, mayor

potencia2, varía entre 0,M a B,5 gLcm. %odo eplosivo tiene una densidad critica encima

de la cual ya no detona 4arlins(u et al., /0012

:8085 Re442e+c% % (% c#3$&e4*+ "e (% c% >4c?, es la propiedad mecánica de la

roca de oponerse a las fuerzas de compresión y tensión >ilmaz, /0072. Esta propiedad

determina la energía que se necesita aplicar para la perforación del macizo rocoso y

acondiciona en gran parte los parámetros y características de la operación de

perforación y voladura N#antao e Ota(ura, /0B/2.

:808 D3e+4#+e4 "e (% '#(%")&%, comprende el área supercial delimitada por el

largo del frente y el anc#o o profundidad del avance proyectado m /2 por la altura de

bando o de corte 32, en m -entro %ecnológico de ?oladura E@=8 =. 8, /0072.

!as variables de diseño de voladura descritas anteriormente, son las que se utilizan

como variables de entrada en el algoritmo para el diseño de la operación de

perforación y voladura. )ic#as variables nos permiten obtener como resultado,

parámetros fundamentales como el burden 62, espaciamiento E2, altura de banco 32,

taco %2, sobre perforación =$2, volumen de carga ?-2, factor de carga $A2, entre

otras, que inHuyen directamente en la ejecución de la voladura en minería de

supercie.

:88 A(#&23#El propósito de esta fase es mostrar el algoritmo empleado que permite realizar los

cálculos de los parámetros fundamentales en el diseño de perforación y voladura.

$ara dic#o objetivo, se denieron cuatro funciones en un módulo, como se puede

observar en la tabla B. Estas funciones permiten calcular los valores de los parámetros"

http://www.revistas.unal.edu.co/index.php/rbct/article/view/30381/43370#tab01http://www.revistas.unal.edu.co/index.php/rbct/article/view/30381/43370#tab01


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?olumen de carga ?-2, carga del barreno -$2, ?olumen del material removido por

barreno 6-;2 y el factor de carga $A2.

!uego de denir las funciones, se presenta el algoritmo que permite lectura de las

variables de entrada y el cálculo de cada uno de los parámetros necesarios para la

voladura.

En el diseño del algoritmo se utilizó un condicional simple que permite realizar el

cálculo de los diferentes parámetros teniendo en cuenta la resistencia a la compresión

de la roca, es decir, si se trata de una roca dura sc P B/0 ;$a2 o una roca blanda sc Q

B/0 ;$a2.

En la tabla /, se describe de forma sistemática y ordenada a trav+s de un

pseudocódigo el algoritmo que se ejecutó para el cálculo de los diferentes parámetros

en el diseño de la operación de perforación y voladuras en minería de supercie.



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58 ANÁLISIS DE RESULTADOS

$ara comparar y valorar los resultados obtenidos tras el diseño de este algoritmo, se

presenta a continuación una tablacomparativa, entre el modelo tradicional del diseñode voladura y el algoritmo realizado en este artículo.

8dicionalmente se presenta un ejemplo donde se ejecuta el algoritmo para el cálculo

de los parámetros en la operación de perforación y voladuras.



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8 continuación en la gura / se muestra un ejemplo de los datos arrojados por el

algoritmo, para una voladura con un diámetro de perforación de M5mm, una inclinación

de B0K y una densidad de eplosivo de 10I(gLm, para una roca dura con resistencia a

la compresión de B10;pa.

%eniendo en cuenta los datos suministrados en el ejemplo anterior fueron obtenidos los

siguientes resultados"

El volumen de material a volar es de IJ.500m, para el cual se necesitan

aproimadamente M.0J14g de eplosivo, con un total de /.M/ barrenos, espaciados

/m y cargados cada uno con aproimadamente B,J5/4g de eplosivo y un taco de

B,J/m.

!a relación entre el peso de eplosivo utilizado y el volumen de material roto, es decir,

el factor de carga $A2 para este caso en particular fue de 0,1B4gLm .

8 CONCLUSIONES

En el caso en el cual el *nico problema a resolver es el cálculo de las variables o

parámetros empleando las fórmulas empíricas en el diseño de la operación de

perforación y voladuras, el uso del algoritmo presentado en este trabajo es válido. =in

embargo debe tenerse encuentra que el programa solo está diseñado para arrojar los

http://www.revistas.unal.edu.co/index.php/rbct/article/view/30381/43370#fig02http://www.revistas.unal.edu.co/index.php/rbct/article/view/30381/43370#fig02


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resultados, y que la correcta interpretación o no de estos depende directamente de la

preparación y facultad que posea la persona a cargo.

Este algoritmo a diferencia del m+todo tradicional o manual ofrece la posibilidad de

diseñar la operación de perforación y voladuras en menor tiempo, prácticamente de

forma instantánea puesto que no es necesario conocer las fórmulas para el cálculo de

los diferentes parámetros, ya que el algoritmo las tiene implícitas en su diseño.

8demás con la aplicación del algoritmo se evita incurrir en el error #umano que se

tiene por el uso repetitivo de las fórmulas para el cálculos de los parámetros

involucrados en el diseño de la perforación y voladura en minería de supercie.

!os m+todos epuestos en este artículo pueden ser aplicados de forma manual, aunque

es un proceso que suele convertirse en largo, complejo y tedioso, debido a las

numerosas fórmulas y consideraciones que deben tenerse en cuenta, en especial al

momento de considera el valor de la resistencia a la compresión de la roca, parámetro

que acondiciona todo el proceso.

!a mayor ventaja que ofrece el algoritmo presentado en este artículo es la facilidad y

rapidez con que se obtienen las diferentes variables que acondicionan la operación de

perforación y voladura, puesto es solo cuestión de ingresar los datos de entra a la

interfaz para conocer el valor de dic#as variables. Esta ventaja que permite el

algoritmo se traduce en a#orro de tiempo, lo cual para la industria minera es sinónimo

de disminución de costos.

El diseño y análisis de la operación de perforación y voladuras por medio de la

aplicación de la programación estructurada permite obtener la información de forma

más atractiva, es decir, ordenada, estructurada, simplicada y lo que es mejor en

menor tiempo. Enriqueciendo de esta manera la operación de perforación y voladura

en minería de supercie.

AGRADECIMIENTOS

El trabajo que se describe en este documento forma parte del programa de

investigación" R$lan de 8cción para el fortalecimiento de los grupos de Onvestigación

Onteligencia 8rticial en Educación y )iseño ;ecánico -omputacionalR código 3ermes"

BIB712 patrocinado por la ?icerrectoría de Onvestigación de la :niversidad Sacional de

-olombia.


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D ISEÑO DE MALL AS DE PERFORACIÓN YVO L A DU RA

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