Diseño voladuras

8/7/2019 Diseo voladuras

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INFLUENCIA DE LAS PROPIEDADES DE LAS ROCAS Y DE LOS MACIZOS RO-COSOS EN EL DISERo y RESULTADO DE LAS VOLADURAS.

Emilio L6pez Jimeno

Ingeniero de Minas (LIMEISA)

ResumenSe ana l i za l a in f luenc ia de la s propiedades de la s ro -cas y del macizo rocoso en los resul tados de la s vo1adur a s , a s i como de l a elecci6n por par te del proyec t i s t ade lo s parmetros de diseo ms adecuados en orden a obtener resul tados 6ptimos.

1.INTRODUCCION

Las di f i cu l t ades surgidas a l es tab lece r modelos ana l t i cos so--

bre e l comportamiento de la s rocas f ren te .a los.mecanismos de

fragmentaci6n por acci6n de cargas explos ivas , han hecho que e ~

t a tcnica se encuentre en una fase de desa r ro l lo i n f e r i o r a l -

de otras ramas de l a ingen ie r a .

Las voladuras que has ta pocas rec ien tes venan considerndose

corno un "a r te" nacido de l a experiencia y per ic ia de lo s a r t i - -

l l e ro s , ha i do t rans fo rmndose paulatinamente en una tcnica ba

sada en lo s an l i s i s deta l lados y rac ionales del conjunto de p ~

rmetros que in tervienen en los procesos de ro tura de l a roca .

Asi , podernos di fe renc ia r t res grupos de var iab les :

- Propiedades de l a roca.

- Propiedades del explosivo.

- Geometra de l a voladura y secuencia de in ic iac i6n .

El primero de es tos grupos const i tuye e l p r i n c i p a l obstculo en

e l camino hacia la voladura ptima.

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Los mater ia les poseen c i e r t a s ca r ac t e r s t i c a s f s i c a s qu e son ~

funcin de su or igen y de los procesos geo16gicos pos te r io res -

qu e sobre e l los han actuado. El conjunto de es tos fen6menos con

ducen a un determinado entorno a un a Litologa par t i eu la r co n -unas heterogeneidades debidas a los agregados minerales po l i - -

c r i s t l i nos y a la s discont inuidades de l a matriz rocosa (poros

y f i s u r a s ) ; y a una est ructura geo16gica en un estado tens ional

ca r ac t e r s t i co , con un gran nmero de discont inuidades e s t r u c t ~

ra les (planos de es t r a t i f i c ac i6n , f rac tu ras , d i a c l a s a s , e t c ) .

Los in te nto s re aliz ad os h as ta hoy han consis t ido en re lac ionarlo s resul tados de la s voladuras con alguna de la s propiedades

par t i cu la res de la s rocas . Desgraciadamente, e l 6xito ha sido

e ~ a s oy nunca se ha l legado a es tab lece r un a c las i f i cac i6n

cuan t i t a t iva para ev aluar l a competencia de la s rocas f r en t e . a l

proceso de fragmentaci6n.

A nuestro j u i c io , dos son la s causas de tan l imitado 6xi to , por

un lado la s ya apuntadas heterogeneidades y discontinuidades de

lo s macizos rocosos, y por o t r o , l a discrepancia en t re la s pro

piedades mecnicas de una muestra i n a l t e r a d a ensayada en l a b o r ~

to r io y la s propiedades del entorno del que se ha extra do l a

muestra.

Po r todo e l l o , el presente ar t cu lo pretende ponderar l a U l u e ~

c ia r e l a t i va de la s propiedades mecnicas de los mater ia les y

discont inuidades geolgicas ex i s t en tes cuando e l macizo rocoso

se somete a una var iac i6n brusca del estado de tensiones como

es e l provocado por l a detonaci6n de una carga explos iva .

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Especial h i n c a p i ~se har en aquel las consideraciones geol6gi-

cas sobre la s qu e e l p royec t i s t a de voladuras puede ac tua r, co

mo son l a or ien tac in del f ren te de voladura , elecci6n del t ipo

de explosivo, ~ t c .

En l a f igura adjunta se es tablec e l a interdependencia que ex i s

t e en t re la s propiedades de l a s rocas , la s v ar ia bl es c o nt ro la -

bIes y algunas de la s operaciones bsicas que const i tuyen e l c i

c lo minero.

ANGULO DEFRICCION

COHESION

NO c;ONTROLABLES CONTROLABLES

Fig . 1. In teracci6n de la s propiedades de la roca y la s var ia -

bIes controlables con la s operaciones mineras.

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2. MECANISMOS DE FRAGMENTACION EN UN A VOLADURA

Las voladuras pueden considerarse como sistemas en los que e l

explosivo actGa y l a roca reacciona. La actuacin del explosivo

puede asoc ia r se a l efecto combinado de l a onda de choque (Ener-g a de tens in - Et) y los gases de exp10si6n (Energa de b u r b ~

ja - Eb). La f racturaci6n debida a cada una de estas energas

depende de la s propiedades r e s i s t en t e s de la s rocas .

Prescindiendo del a n ~ l i s i sde la s teo r a s sobre e l mecanismo

de ro tu ra , se han ident i f icado s i e t e modos de fragmentacin de

l a roca .

1 . Tri turacin del mater ia l ms prximo a l barreno.

2. Agrietamiento r ad i a l .

3. Rotura por re f l ex in .

4. Fracturaci6n por l ibe rac in de carga.

5. Apertura de la s gr i e t a s por acci6n de lo s gases.

6. Fracturacin por cizal1adura .7. Rotura por co l i s in del mate r i a l proyectado.

3. PROPIEDADES DE LAS ROCAS

3 .1 . DENSIDAD

Las rocas densas requieren una mayor cantidad de energa paralogra r una fragmentacin s a t i s f a c t o r i a , a s como un buen desp l !

zamiento y esponjamiento del escombro.

La expresin del impulso impart ido a la roca por accin de los

gases es :

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donde:

f.

~ o v) p . a d t M v

p Presin de los gases en e l i n s t a n t e " t " .

a = Area sobre l a que actan lo s gases en e l ins tan te " t " .

M Masa que corresponde desplazar a l barreno.

v = Velocidad de proyeccin.t v = Tiempo en que los gases actaan hasta que escapan a la atm6s

f e r a .

De su a n ~ l i s i sse deduce qu e en rocas con una g ra n d en si da d, de

bern tomarse la s s iguientes medidas:

- Aumentar e l dimetro de perforac in (La pres in de barreno

pb = K f . v 2 y "v - veloc idad de de tonac i6n" aumenta en a lgunos explosivos como e l ANFO, con e l dimetro del bar reno) .

- Reducir e l esquema (a = Espaciamiento efect ivo x Altura de

banco) y modificar la secuencia de encendido.

- Controlar l a e fec t iv idad del retacado co n e l f in de aumentar

" tv " y hacer que los gases escapen por e l f ren te l i b r e y no

por e l re tacado.

- Ut i l i z a r explosivos con una a l t a energa de burbuja.

Cuando l a proyecci6n y e l esponjamiento son de v i t a l importan-

c ia (como es e l caso de minerales f i surados o f r i a b l e s de a l t a

densidad) es ms ortodoxo expresar los consumos energ6ticos en

Kg/t y MJ/t que en unidades de Kg/m 3 6 MJ/m 3

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3 .2 . RESISTENCIAS DINAMICAS DE LA ROCA

Las res i s t enc ias e s t t i c a s a compresin y a t racc in se u t i 1 i z !

ron en un pr inc ip io como parmetros d e f i n i t o r i o s de l a ap t i tud

de l a roca a la voladura . As se es tab lec i e l nd ice de vo1abi

1idad (Hino, 1959) como l a re lac in Rc , de modo que a un mayorRt

r a t i o resu1 ta r i a ms f c i l fragmentar e l mater ia l .

El t ra tamiento ortodoxo de lo s problemas rea les obl iga a consi

derar la s res i s t enc ias dinmicas, ya que ~ s t a saume nta n c on e l

indice de carga (Rinehar t , 1958; Persson e t a l , 1970) pudiendo

l l egar a alcanzar valores entre 5 y 13 veces mayores que la s es

t t i c a s .

Desafortunadamente, lo s parmetros dinmicos de l a roca determ i

nados en l abora to r io no son r ep resen ta t ivos por l a heterogenei -

dad y an i so t rop a de lo s macizos rocosos y por l a imposib i l idad

de r ep ro du ci r l os ensayos en condiciones s imi la res a lo s per io

dos de carga de una voladura/que son in fe r io res a 0, 1 ms. En

ocas iones , lo s v alo re s de l abora to r io han superado a lo s obteni

do s " in s i t u " en proporciones de 5 a 8, siendo l a s macrof isuras

y la s tens iones r e s idua les de l a roca la s responsables de t a l e s

discrepancias .

Cuando la in tens idad de l a onda de choque supera a l a r e s i s t e n

c ia dinmica a l a compresi6n (R'c) se produce un a t r i t u r a c i n

de la roca ci rcundante a la s paredes del barreno por colapso de

l a es t ruc tu ra i n t e r c r i s t a1 i n a . Pero es ta t r i t u r a c i 6 n cont r ibuye

muy poco a l a fragmentaci6n ( < 1%, Hagan 1978) y provoca un afue r t e disminuci6n de l a energia de tens i6n, l legando en rocas

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JUNTA LLENADE AGUA

" JUNTA ABIERTA~ R E L L E N ADEAIRE

GRIETAS R A D I ~- - - - -NTERRUMPIDASPREMATURAMENTE

=i=RENTE LIBRE

Figura 2. Tri turac i6n y agrietamiento r a d i a l alrededor de un b ~

rreno y descostramiento i n t e r i o r por r e f l ex i6n de l a

onda de choque.

Las g r i e t a s rad ia les se dis t r ibuyen sis temticamente alrededor

del barreno p r o p a g ~ n d o s een todas la s d i recc iones . La presencia

de gr ie tas o Juntas natura les puede f a c i l i t a r segan su or ien ta

cin l a extensi6n de a l g ~ n a sgr ie tas rad ia les o l a r e f l ex in de

l a onda dec h o ~ u ep r o d u c i ~ n d o s e

una ro tura por r e f l ex in i n t e -r i o r o s p a l l i n g .

De lo expuesto se deduce l a importancia r e l a t i va de l a r e s i s t e n

c ia dinmica a t r acc in , que para f ines prc t i cos puede suponer

de un S a un 10% de l a res i s t enc ia a compresi6n dintmica simple.

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3.3 . PROPIEDADES ELASTICAS DE LAS ROCAS

Antes de ana l i za r la s propiedades e l s t i c a s de la s rocas , es p r ~

ciso poner de manif ies to algunos hechos re levan tes . Las p r e s i o -

ne s g en erad as po r lo s explos ivos , especialmente en l a proximidadde lo s barrenos pueden l l e g a r a se r super iores a 10 PGa. Los m6-

dulos de Young es tn pr6ximos a 50 PGa y l a r e s i s t enc i a a l a com

pres in de l a mayora de la s rocas var a en t re 0,1 y 0 ,4 PGa. B ~

jo es tas condiciones, la ap1icaci6n e s t r i c t a de 1a*teor a de l a

e las t i c idad no dar a resul tados muy pos i t ivos (Hagan e t a l ,

1979).

A. Lmite e ls t i co de Hugoniot

En l a p r c t i c a , la s rocas presentan un a l to l mi te e ls t i co de

Hugoniot. Para esfuerzos por debajo de es te l imi te la s rocas ac

tan e 1 ~ s t i c a m e n t ey no experimentan ningn t ipo de deformacin

permanente. Como los l imi tes de Hugoniot para l a mayora de la s

rocas varan e ntre 4 y 11 PGa (Harr ies , 1979), se supondr un

comportamiento e ls t i co de e s t a s .

B. Mdulo de Young e Indice de Poisson

Para determinar la s deformaciones e l s t i c a s provocadas en e l me

canismo de l a voladura, es preciso de f in i r lo s mdulos e 1 ~ s t i -

cos del mate r i a l mediante m ~ t o d o sdinmicos (s smicos) mejor

qu e e s t t i c o s (mecnicos).

Antes de cont inuar, recordaremos que:

- El mdulo de Young (E) se def ine como l a re1aci6n entre e l es

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fuerzo uni ta r io de compresi6n o t racci6n y l a deformaci6n Ion

g i t u d i n a l u n i t a r i a

E = 6 F / A (Esfue'rzo uni ta r io )6 L/L (Deformaci6n uni ta r ia )

- Indice de Poisson ( ~ ) , 6 la re1aci6n en t re e l cambio un i t a -

r io del 4rea de l a secci6n co n l a deformaci6n long i tud ina l u-

n i t a r i a .

V 6 S/s (Cambio uni t a r io del rea)

6 L / L (Deformaci6n longi tudinal un i t a r i a )

Corno la s velocidades de propagaci6n de la s ondas ssmicas so n

funci6n de la s ca rac t e r s t i c a s e l s t i c a s de los mater ia les a

t r a v ~ sde la s cuales se propagan, es posible se rv i r se de e l l a s

para , previa determinaci6n de l a densidad en laborator io , calcu

l a r lo s m6du10s e ls t i cos co n la s s iguientes ecuaciones :

E

Donde:

0 ,5

[ ( ~ ) 2_2]

[ ~ ~ r-11Vp Velocidad de propagaci6n de la s ondas long i tud ina les .

Vs Velocidad de propagaci6n de la s ondas t r ansversa les .

f Densidad.

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En l a p r c t i c a para un nd ice de Poisson medio de 0,25 puede su

ponerse que Vp = 1,73 Vs

Por otro l ado , la s propiedades e l s t i c a s de la s rocas gneas y

metam6rf icas pueden c o rr el ac io n ar se b ie n co n l a densidad. As

d el tra ta mie nto e s t a d s t i c o de lo s va lo res aportados por C1ark

(1966) para rocas con una densidad en t re 2,6 y 3,4 t/m 3 , r e s u l -

t a :

IVlocidad de propagaci6n Desviacin standard Coef. de corre1aci6n

(m/s) (m/s)

Vp = 3450 . - 3920 570 0,85Vs = 1900 - 2010 380 0,83

Cuando e l m6du10 de Young es a l t o , lo s gases de l e xp lo siv o e n-

contrarn r e s i s t e n c i a para comprimir y d i l a t a r l a roca . La in-

f1uenc ia d e l ndice de Poisson es menos evidente pero puede re

l ac iona r se con l a f ragmentac i6n . El nd ice de Poisson indica co

mo e l mate r i a l almacena y l i b e r a ene rg a . As una roca co n un

v a l o r a l t o almacenar energa ms faci1mente que o t r a co n un va

10r i n f e r i o r . Po r e l l o , para un n ive l de ene rg a dado, se espe

ra r una mejor fragmentaci6n de l a roca cuando e l nd ice de

Poisson sea bajo (Sassa e I t o , 1970).

C. M6dulo de Bu1k o de incompres ib i l idad

Es l a r e l ac i6n en t re l a pres i6n y e l cambio uni ta r io de volmen

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KA P (Incremento de presi6n)A, VIV (Variaci6n v o l u m ~ t r i c a )

Puede ca lcu la r se a p a r t i r de l a ecuaci6n:

K = (V p) 2 P . (1 + ) )3 (i - ~ )

y s i r v e para est imar l a proyecci6n de l a roca , pues l a pres i6n

de los gases que dentro de las gr ie tas empujan a l a roca hacia

e l f r en te l i b r e es funci6n del m6dulo de Bulk.

3.3 .1 . DETERMINACION IN SITU DE LAS CONSTANTES ELASTICAS DE LAS

ROCAS

La determinaci6n de la s constantes e ls t i cas de la s rocas por

mtodos di rec tos , r e s u l t a extremadamente d i f c i l ya qu e la s p r ~

betas chequeadas en l abora to r io , no incluyen la s discont inuida

des es t ' ruc tura les y cambios l i to16gicos del macizo rocoso del

qu e proceden. Para obtener una muestra r ep resen ta t va s e r a ne-

cesar io que tuviera a l menos unas dimensiones 10 veces mayores

que l a d i s t a n c i a media en t re discont inuidades o planos de f rac-

tu ra .

Las tendencias se han di r ig ido hacia l a determinaci6n " in s i t u "

de la s constantes e l s t i c a s de la s rocas , para t ene r en cuenta

todas la s discont inuidades , tensiones res idua les , e t c . Para

e l lo y con e l empleo de t ~ c n i c a sg e o f s i c a s , se m e d i r ~ nla s ve

locidades de las ondas longi tudinales y t r ansve r sa les (s smica

de r e f racc i6n , e s ~ u d i o sup-holes y cross-hle , etc) y la s densi

dades de los d i s t i n t o s mater ia les , bien en labora tor io o por

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t e s t i f i c a c i 6 n Gamma-Gamma.

Estas t ~ c n i c a ss ~ ca rac te r i zan por su bajo cos te y r e l a t i v a sim

p l i c idad de in te rp re tac in , pudindose a p l i c a r a l diseo de la s

voladuras co n l a medicin de las s ig uie ntes propiedades:

1. M6dulo de Young e nd ice de Poisson (Ver epgrafe 3 . 3 . ) .

2. Carac te r i s t i cas de la s j un ta s o f r a c t u r a s , incluyendo f r e - -

cuencia , volmen y or ientac in dentro del macizo.

3. Resis tencia a l a compresin.

Algunas de l a s apl icacones ms di rec tas a l campo de la s voladu

ras son la s desa r ro l l adas p or B ro ad be nt (1974), Heinen y Dimock

(1976), en la s que se r e l ac iona co n ~ x i t olos resul tados de la s

voladuras con l a s veloc idades ssmicas de propagacin, en ot ras

pa lab ras , e l consumo espec f i co de explosivo o ms concretamen-

te e l f ac to r de energa y l a velocidad s smica .

Fig. 3. Correlacin en t re v el oc id ad s s mi ca y consumo espec f i co

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Como puede observarse ; conforme aumenta la velocidad ssmica se

requiere una mayor cantidad de energa para una fragmentaci6n

s a t i s f a c t o r i a . Es ampliamente conocido e l c r i t e r i o de acopla-

miento de impedancias (Velocidad de propagaci6n enl a

roca xdensidad de l a roca = Velocidad de detonaci6n x densidad de l exp10sivo) en e l i n t en to de maximizar l a . t r a n s f e r e n c i a de energa

del explosivo a l a roca .

Este m ~ t o d oha tenido gran ~ x i t oen una exp10taci6n americana

de cobre donde se han l legado a red uci r los cos tes de per fo ra - -.ci6n y voladura hasta un 1 7 \ .

Algunas de la s precauciones a tener en cuenta cuando se adopta

e s t a t ~ c n i c ason:

1 . Cuando e l mate r i a l se en cu en tra saturado de agua, l a ve loc i

dad s smica puede se r unos 30 0 mis mayor que l a que cor res -

ponde a l mater ia l seco, pero e l posible aumento en e l consu

mo espec f ico queda compensado por l a mayor d i f i cu l t ad de ro

tura de ese m a t e r i a l .

2. Los r e g i s t r o s ssmicos se r e a l i z a r ~ ncuando la s unidades de

operaci6n e s t ~ nparadas con e l f n de ev i ta r posib les i n t e r -

fe renc ia .

3. E n ~ p o c ainvernal con grandes heladas , pueden medirse v e l o c i

dades sismicas 60 0 mis super iores a la s re gis tr ad as en condi

ciones normales. Esto es debido a que la s ondas secundarias

alcanzan lo s ge6fonos antes que la s pr imar ias . Esta disc re - -

~ n c i apuede cor reg i r se c on tr as ta nd o l os d ato s re co gid os con

lo s per tenecientes a l banco supe r io r en l a zona de es tudio .

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4. U t i l i z a r un espaciamiento correc to en t re ge6fonos a f i n de -

e v i t a r anomalas producidas por nive les profundos o minados

y hacer l a s medidas en dos sent idos segan una misma d i r e c -

c i6n .

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~\.).,)tv

PROPIEDADES GEOMECANIGAS DE DIVERSOS TIPOS DE ROCA

TIPO DERESISTENCIA RESISTENCIA A MODULO DE VELOCIDAD

INDICE DELOCALIDAD A TRACCION COMPRESION ELASTICIDAD LONGITUDINAL DENSIDAD

ROCA(M Pa ) ( M P a ) (1 0 GPa) (In/s) P


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3 .4 . POROSIDAD

Podemos d i n t i n g u i r dos t ipos de porosidad: Porosidad i n t e r g r a n ~

l a r o de formacin y porosidad de disolucin o post-formacin.

La primera cuya dis t r ibuc in en e l m acizo puede cons iderarse

u ni fo rm e p ro vo ca dos efectos :

- Atenuacin de la energa de la onda de choque.

- Reduccin de l a r e s i s t e n c i a dinmica a l a compresi6n y, conse

cuen temen te , i nc remento de l a t r i tu rac in ' y porcenta je de f i

nos.

Los Clculos indican qu e la s longitudes de la s gr ie tas or ig ina-

das por l a onda de t ens i6n en un a roca muy porosa son aproxima-

damente e l 25% de la s inducidas en rocas no porosas co n l a mis-

ma composicin minera lgica (Hagan, 1979). El t r aba jo de f rag-

mentacin de rocas muy porosas , se r e a l i z a c a s i en su to ta l idad

por l a energa de burbuja, por 10 qu e debern observarse la s s i

guientes recomendaciones:

- U t i l i z a r explosivos con una r e l ac in E burbuja e levada, coE t ens in

mo por ejemplo ANFO.

- Incrementar l a Eburbuja a cos ta de l a Etensin

desacoplamiento de l a s cargas (L . Jimeno, 1980).

mediante e l

- Retener lo s gases de voladuras a a l t a pres in con un dimensio

namiento adecuado de la longi tud y t ipo de re tacado.

- Con var ios f rentes l i b r e s , m an tene r d imen siones igua les de l a

piedra en cada barreno.

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La porosidad de post-formacin es l a causada po r los huecos y -

cavidades qu e resu l t an de l a disolucin del mater ia l rocoso por

la s aguas subterrneas (Kars t i f i cac in) . Los e sp ac io s v ac io s

son mucho mayores y su dis t r ibuc in es menos uniforme que l a dela porosidad in te rg ranu la r.

Las cavidades in te r sec tadas por lo s barrenos no solo d i f i cu l t an

la per fo rac in co n la p ~ r d i d ade v a r i l l a j e y at ranques , sin in

c1uso l a ef ic ienc ia de la voladura. Algunos de lo s problemas

qu e or ig inan se exponen a continuacin y son especialmente gra-

ves co n lo s explosivos a granel y bombeab1es:

1 . Cuando cada barreno se carga con una cant idad de explosivo

dada, se produce una e xc es iv a c o nc e nt ra c i n de cargas en la s

cav id ad es y, por consiguiente , un a reduccin del explosivo

en l a par te super ior de los barrenos .

4---RETACADO

COQUERA

ESPACIADOR eSRElACADO INTERMEDIO

Fig . 4. Ejecucin cor rec ta de l a carga de un explosivo a g r ~

nel en un te r reno co n coqueras.

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Estos problemas pueden solventarse cuando es pos ib le s i t u a r

un re tacado o espaciador intermedio a l a a l tu ra de la coque-

ra o cavidad qu e cor t a a l barreno, en caso con t ra r io , deber

i n t e n t a r s e aumentar l a energa de explosivo en l a par te a l t a

de los b ar re no s c on tig uo s con e l f n de obtener una f ra gm en

tac in adecuada de l a roca afec tada por e l re tacado.

2. Si lo s barrenos se cargan con explosivo h as ta a lc an za r un a

dimensi6n del re tacado, la s coqueras conectadas co n los ba - -

rrenos ~ o r i g i n a r ngrandes concentraciones de explosivo con

e l cons iguiente r iesgo de cor tes , proyecciones y sobreexcava

ciones .

Si los barrenos no i n t e r s e c t a n a la s cavidades, e l rendimiento

de l a voladura disminuye por :

1. La prematura terminacin de la s g r i e t a s r a d i a l e s a l se r in - -

t e r sec tadas , en su propagacin, por lo s huecos e x i s t e n t e s .

FRENTE

Figura 5. Terminaci6n prematura de la s g r i e t a sra dia le s a l i n t e r s e c t a r un a cavidad.

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2. La rpida ca ida de l a pres in de lo s gases a l in te rcomunicar

se e l barreno co n la s cavidades. Y por e l l o , e l frenado de

la aper tura de g rie ta s ra d ia les a l escapar los g a s e ~hacia

los espacios vac ios .

(/ )wo::o.. INSTANTE EN QUE ESCAPAN .

LOS GASES HACIA LA COQUERA

TIEMPO

Figura 6 . Cada de pres in por e l escape de lo sgases hacia un espacio vacio

3 .5 . FRICCION INTERNA

Como la s rocas no cons t i tuyen un medio e l s t i c o per fec to , par te

de la energa de l a onda de t ens in que se propaga a t r a v ~ sde

l , se conv ie r t e en ca lo r por diversos mecanismos. Estos meca--nismos son conocidos por " f r i c c i n in terna" 6 "capacidad de

amort iguaci6n especf ica-SnC" que miden l a disponibi l idad de

la s rocas para a ten ua r la onda de t ens i6n generada por l a de to

nacin del explos ivo . La snc v a r a considerablemente con e l t i -

po de roca : desde va lo res de O,Z-O,06 para lo s grani tos (Win-

436


21/42

des , 1950; B1air, 1956) has ta lo s de 0,07-0 ,33 para aren i scas .

La SDC aumenta con la porosidad, l a permeabil idad, la s juntas y

e l contenido en agua de l a roca . Tambin aumenta considerable-

mente co n los n iveles meteorizados en funcin de su espesor ya l t e rac in .

La in tens idad de l a f r ac tu rac i6n debida a l a onda de tens in au

m en ta c on fo rm e disminuye SDC. As por ejem plo , los explosivos

t ipo s lu r ry son mas efect ivos en formaciones duras y c r i s t a l i -

nas que en lo s m a t e ~ i a 1 e sblandos y descompuestos (Cook, 1961;

Lang, 1966) . Por e l c o n t r a r i o , en e st os lt im os, e l ANFO es masadecuado a pesar de su menor energa de t ens in .

4. PROPIEDADES DEL MACIZO ROCOSO

4 .1 . PLANOS DE DISCONTINUIDAD PRE-EXISTENTES

Todas la s rocas de l a natura leza presentan algn t ipo de d i s c o ~

t in ui da d - m ic ro fi su ra s y macrof isuras- qu e inf luyen de manera

decis iva en la s propiedades f s i c a s y mecnicas de la s rocas yconsecuentemente en lo s resul tados de la s voladuras . ~ n efec to ,

en e l caso de voladuras de produccin, un porcenta je de l a p i l a

d e escombro se pTesentar en tamaos super iores a l admit ido por

e l equipo de carga y l a machacadora, por 10 que se requer i r

una fragmentacin ad ic iona l con el consiguiente aumento de lo s

cos tes de produccin. Por otro l ado , en la cons t rucc in de ins

ta lac iones por tua r i as y presas de esco l l e ra se hacen encesar ias

de te rminadas d imens iones y porcen ta j e s de roca que raramente

son conseguidos en voladuras de producci6n.

437


22/42

De la s consideraciones an te r io res s e d es pre nd e l a importancia

del es tudio de la s regular idades es t ruc tu ra les cuan t i t a t iva y

cual i ta t ivamente .

El es tudio deta l lado deber basarse en e l an l i s i s d"e lo s r e su !

tados de lo s sondeos y su corre1aci6n con lo s datos recogidos -

de l a observaci6n di rec ta definiendo l o ca li za c i n , o ri en ta ci 6n

(d i recci6n y buzamiento), espaciado, espesor, t ipo de re l l eno y

c o e f i c i e n t e de rugosidad de dichos planos .

Las discont inuidades pueden se r ce r radas , ab ie r tas o r e l l ena s ,

y por e l lo con di fe ren tes grados de t ransmisi6n de l a energa

del explosvo. Las paredes de es tas discont inuidades son super-

f i c i e s planas sobre la s cuales se r e f l e j an la s ondas de choque

atenuando y dispersando l a energa desa r ro l l ada .

En d is co n ti nu id a de s c e rr ad a s o bien cementadas, la s g r i e t a s ra -

d ia les inducidas por l a detonacin la s cruzarn permit iendo supropagaci6n a t ravs del macizo. Cuando la s discont inuidades es

tn ab ie r tas y s in mater ia l de re l l eno , l a ref1exi6n de l a onda

de choque puede o r i g i n a r l a f rac tu rac i6n por descostramiento in

te rno (Figura 2 ) . Las gr ie tas rad ia les sern en es te caso in te -

r rumpidas prematuramente a l no t r ansmi t i r esfuerzos de t r a c c i ~

s e m ejora r l a fragmentaci6n en t re e l barreno y l a discon t inu i -

dad, pero se reduci r a l otro lado de ~ s t a .

Un efecto s imi la r puede suceder s i e l mater ia l que r e l l e n a la s

discont inuidades t i ene una impedancia acs t i ca i n f e r i o r a l a de

l a roca , la energa de l a onda re f rac tada aumentar conforme l a

impedancia del re l l eno se aproxime a l a de l a roca .

438


23/42

Otro efec to de la s juntas a b i e r t a s cuando i n t e r s e c t a n a lo s ba

r r enos , es e l prematuro escape de lo s gases producidos y l a c a

da d r s t i c a de l a pres in de barreno. Consecuentemente, l a fraK

mentacin y e l desplazamiento debido a la energa de burbuja

disminuir y especialmente cuando esas juntas a b i e r t a s conectan

e l barreno con e l f re n te l i b r e . Otros e fec tos negativos son lo s

cons t i tu idos por la s f recuentes proyecciones, mayor n ive l de on

da area y la s sobreexcavaciones.

A. CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO

Una de la s c l a s i f i c a c i o n e s ms extendidas es l a es tab lec ida a

p a r t i r del R.Q.D. (Deere, 1968) qu e se def ine como el -porcenta

je de l a longi tud de t e s t igo recuperado en t rozos mayores de 10

cm. respec to a la lo ng itu d d el sondeo

R.Q.D. Calidad de l a roca

O - 25 Muy mala

25 - SO MalaSO - 75 Media75 - 90 Buena

90 - 100 Excelente

Por otro lado cuando no se dispone de sondeos, puede d e t e r m i n a ~

se e l "Vo1umetric J o i n t Count - Jv" como e l nmero t o t a l de ju!!.

t a s por metro cbico, obtenido a l sumar l a s juntas qu e hay por

metro para cada famil ia de j u n t a s .

439


24/42


25/42

Merr i t (1968) tambin ha es tablec ido una c or re la ci n e nt re e l

R.Q.D. y e l nd ice de veloc idad del macizo, que se def ine como

e l cuadrado de la r e l ac in en t r e l a veloc idad ssmica en e l son-

de o y en e l l a b o r a t o r i o , qu e son en esencia equiva len tes a l a s

veloc idades en e l macizo rocoso y en la matr iz rocosa .

V F = " ~ Y Y 8 . . S 1 S N C 4

VL=\t!lOCOtO SHCAEH LABQ1tA'KROr =12 SL=0,OO1LOG y =0,0010X LOO 21 _ - - - + - - - - + - - - : - # 0 ...........

1,0 _---------_---...-__.UoDl..--

NI

-1 0, 1L ~-~ 0,191&1

: 6 xQ 0,4...-- __ - - t - _ _ - - = ~ - - - : ; . . . . - + - - - _ A _ + _ - - ~1&1

ua~

0 , 2 ~ - - - + - - - - - + - - - + - - - - - - + - - - - - - - t

40 ID ID 100

R Q D- ., .

NEISA NEIS Y ESQUISTOS CALIZAo RIOLITAy DACITA CALIZA ARENISCASX ARENISCA Y LlMONITA.. NEIS Y ESQUISTOv NEIS NEIS Y ARENISCA NEIS Y ESQUISTO

Figura 8. Correlacin entre R.Q.D. e ndice de velocidad

441


26/42

Helfr ich e t a l (1970) mediante ssmica de re f racc in , re lac iona

la s velocidades de propagacin de la s ondas longi tudinales en -

mater ia l de f rac turado "Vpl" e intensamente f rac turado "Vpo"

co n e l nmero de f rac tu ras por metro "n" y l a velocidad ssmica

en un f ren te dado "Vpe'.'

1

n = Vpe VplVpl VpoVpl x Vpo

K

siendo "K " un a constante .

Otra inves t igacin ms rec ien te es l a debida a Sjogren e t a l

(1979) que re lac iona l a velocidad de propagacin longi tudinal y

e l R.Q.D. con d i s t i n t o s parmetros geomecnicos.

442


27/42

I_M_UY_M_AL_AI___AL_A__ . . .L -_M_E_DI_A_- JE ERQ D

GPa Edin MODULO DINAMICOOE DEFORMAClON

LONG lTUD MEDIA TESTIGO ( cm )

ESPACIADO DE FRACTURAS ( c m )

x100m/s Vp VELOCIDAD LONGITUDINAL

FRAC TURAS POR METRO

10 2 O 3 O 4 O 5 O , O 7 O O O 100I

1 I 1 I30 35 40 45 50 55

I I I I- 20 -1 4 10,2 6, 7 4,4 3,4

"5 .. 7 10 15 23 29I

5 10 20

I" , 0 22,7 30,3 39,7 51,3 ' 3 ,5

Figura 9. Corre lac in en t re d i s t i n to s parmetros geomecnicosdel macizo con e l

R.Q.D.y velocidad de t ransmis in

long i tud ina l

Un ndice importante en l a caracter izacin del macizQ rocoso y

a p a r t i r del cual se evidencian los cambios l i t ol g ic os a s co

mo la s direcciones pre fe ren tes de la s discontinuidades Y e s f u e ~

zo s t ec tn icos , es e l de an i so t rop a . Una de la s expres iones

443


28/42

ms e mp le ad as c ua nd o se r e a l i z a p ro sp ec c i n s s m ic a es l a def i -

n i da por Bur:

A Vmax - Vmin

(Vmax /2 - Vmin /2)

B. DISENO DE LAS VOLADURAS ATENDIENDO AL CONTROL ESTRUCTURAL

La t endencia ac tua l en e l campo de la s vo lad uras se di r ige ha--

c ia e l empleo de g ra nd es d i m et ro s de perforac in 12-15". Esto

obl iga a p lan tea r esquemas muy ab ie r tos en lo s que e l e fec to de

la s discont inuidades geolgicas es cada vez ms acusado a l s e r

mayor e l nmero de planos de debi l idad en t re b ar re no s c on ti gu os ,

mxime s i lo s si temas de j un ta s han dado l uga r a l a conforma--

c i6n de bloques .

DISCONTINUIDADES

/1

(a ) ESQUEMA CERRADO

BLOQUECONFORMADO

(b) ESQUEMA ABIERTO

Figura 10. Efecto de la s discont inuidades en dos esquemas de va1adura co n dimetros de barreno pequeos (a) y grandes (b) .


29/42

Obviamente una de la s formas para reduci r l a i n f luenc ia de la s

discont inuidades es t ruc tu ra les cons i s t e en aumentar l a perfora

ci6n espec f i ca (ml/m 3) con 10 que l a probabi l idad de a t ravesa r

un bloque dado au me nt a a expensas de incrementar e l coste deper fo rac i6n . Exis ten ot ras herramientas basadas en l a or ien ta -

ci6n de lo s f ren tes que pueden ayudar a mejorar lo s r es ulta do s

de la s voladuras .

La mejor f ra gm en ta ci n s e obt iene cuando l a direccin de aba t i

miento forma 90 con la direcci6n predominante de la s d i s c o n t i

nuidades (Belland, 1966). Con es ta conf igurac i6n , e l nuevo f rent e sueie c o i n c i d i r c ~ nun plano de discont inuidad pos ib i l i t ando

e l empleo de espacimientos mucho mayores qu e l a p iedra . Cuando

la s juntas son subver t ica1es , es ta disposic i6n minimiza los p r ~

b1emas de repis pero, s in embargo, es necesa r i a l a per fo rac in

inc l inada para mantener una dimensin de l a p ie dr a c on sta nte en

l a primera f i l a de barrenos .

PLANOS DEESTRATIFICACION

NUEVO FRENTE

Figura 11. Excesiva piedra en e l rep i provocada por la es t ruc

tu ra del macizo.

445


30/42

Otro inconveniente suele se r la" sobreexcavacin de t rs de l a l

t ima f i l a de barrenos . En es tos casos , se obtienen majores r e - -

sul tados cuando e l f rente forma con l a direcci6n de la s discon-

t inuidades dominantes un ngulo de hasta 45 6 135 . Pero cuando dicho ngulo osc i l a en t re 30 y 60 se desarrol larn grandes

gr ie tas de t rs de la l t ima f i l a dejando una cara de banco i r r e

guIar y e sc alo na da . E sta s g r i e t a s son juntas que han sido ab ie r

ta s por l a invasi6n de lo s gases y por l a acci6n del movimiento

re la t ivo de l a roca . Para minimizar es tos problemas se recomien

da un esquema s i m i l a r a l de l a f igura adjunta .

FRENTE

/

,ZAMIENTO

SECUENCIA ~ EINICtAClON '"7 t'x /-y----...---.,..------T ,7

~ / ~ , 2 ~ 5 6/

PLANOSDE

ESTRATIFICACION

Figura 12 . Esquemas de voladura a l t resbol i110 "VI"

446


31/42

Las voladuras en la s qu e e l f ren te es normal a la direccin de

l a s discont inuidades suele dar tambin buenos resu l t ados .

Cuando l a e st ra ti fi ca c i n o la s sis temas de j un tas presentan

una pequea inc l inacin


32/42

cuencia de f rac tu ras y l a r e s i s t e n c i a a ciza l lamiento de la s

mismas con e l consumo espec f i co de explosivo (Ashby, 1977).

900

de friccin (_ + i )

70000

donde )f = densidad de la roca in s it u_ = ngulo bsico de friccin

=dnguto de rugosidad

30

CONSUMOESPEgFICO = 0,56 r Tan (.15 +i )(Kg. ANFO / m. ) 'VFrecuencia de fracturacin

200

0.3

0.1

0.1 0.2

0.1

0.2

0.3

0.4

CONSUMO ESPECIFICO.

ANFO goma

*~ ~m.

O.,

0.3 0.6

0.7

0.5

0.6

0.5 0.2 0.4

W =2,5 t /m 3FRECUENCIA DE FRACTURACION (Fracturas/metro)

Fig. 1 4 ~ Relacin empr ica e n tre e l consumo espec f i co , f r e c u e ~

c ia de f r ac tu rac i6n y r e s i s t e n c i a a l cor te de la s mis-mas desa r ro l l ado en l a mina de Bouganvil le .

4 .2 . CAMBIOS LITOLOGICOS

La s voladuras en zonas donde se produce un cambio l i to lg ico

brusco, por ejemplo e s t r i l y minera l , y consecuentemente una

448


33/42

var iac i6n de la s propiedades r e s i s t en t e s de la s rocas obl iga a

la reconsideracin del planteamiento del diseo basado en :

a- Esquemas iguales para los dos t ipos de roca y var iac in de

la s cargas un i t a r i a s .

b- Dis t in tos esquemas co n igual carga por barren o. Esta d i s p o s i

cin suele adoptarse manteniendo l a dimensin de l a piedra

igual (Figura 15) , ya que l a in t roducci6n de un esquema

E x V di s t i n to en cada zona en t raar a una mayor complejidad

de perforaci6n y un escalonamiento del nuevo f rente creado.

SECUENCIA DE INICIACION

RELE DE RETARDO

13

I ~

Figura 15 . Cambio de esquema recomendado V = VI E :f El

Los yacimientos es t ra t i fo rmes semihorizonta1es que presenten a !

gan horizonte muy r e s i s t en t e pueden aconsejar un t ipo de vo1adu

ras p a r t i cu l a r eri la s qu e la s cargas se alojen en lo s barrenos

p e rf ec ta m en te c on fi na d as a la a l t u r a de t a l e s hor izontes , tam-

b i n su ele ac on sejarse que l a 10ca1izaci6n de lo s mult ip l icado

res en la s columnas de explosivo coincida co n los niveles m ~ s

449


34/42

duros a f in de aprovechar a l mximo l a energa de tens i6n desa

r ro l l ada .

RELE D E R ETAR DOSECUENCIA DE INICIACION

Figura 16. Esquema no recomendado.

Cuando se encuentran en contacto dos mater ia les de c a r a c t e r s t !

cas r e s i s t e n t e s muy di fe ren tes como p or ejem plo, un a ca l i za c o ~

petente en contacto con a r c i l l a s muy pls t i cas ( te rr en o K rs ti

co) y s i lo s barrenos a tr av ie sa n e st as formaciones, se produci-

r un a gran prdida de energa asociada con l a cada de pres in

de lo s gases a l producir deformaciones p l s t i c a s en dichas a rc !

l l a s , y por consiguiente se ob tendr un a mala fragmentacin.

ARCILLA PLASllCA

/ESCAPE DE...-.OE GASES A

V - "AL lA PRESIONCALIZA

Figura 17. Casos t p icos de cambios l i to lg icos con contactoentre rocas comperentes y mater ia les p l s t i co s .

450


35/42

Para aumentar el rendimiento de la s voladuras se pueden. adoptar

la s s igu ien tes medidas:

1. Retacar con mate r i a l adecuado (de tamao 1/17 de dimetro de

perforac in) aquel las zonas del barreno qu e es tn en contac-

to con mate r i a l pls t i co o pr6ximo a e l l a s . Para r e a l i z a r es

to es necesar io un cuidadoso con t ro l de l a perforac i6n obser

vando e l d e t r i t u s y midiendo longi tudes perforadas .

2 Emplear cargas de explosivo totalmente acopladas a l a roca

competente con una gran velocidad de detonacin y una r e l a -

c in de Energa de t ens in/Energ a de burbuja a l t a

3 . L oc aliz ar lo s mult ip l icadores o primers en el punto medio

de l a roca competente para incrementar l a r e su l t an te de l a

onda de t ens in qu e acta a ambos l ados .

4. Evi t a r e l prematuro escape de lo s gases a l a atm6sfera a s e g ~

randa qu e t an to l a longitud de retacado (a l menos 20 d) Y l a

dimensin de la piedra son cor rec ta s en l a par t e super ior de

los barrenos .

4.3 . CONTENIDO EN AGUA

Las r oc as p oro sas y los macizos intensamente f rac turados cuando

se encuentran saturados de agua presentan habitualmente c i e r t o s

problemas:

- Necesidad de se lecc ionar explosivos no a l t e r a b l e s por e l agua.

- Perdida de barrenos por hundimientos in te rnos y consecuentemen

t e :

451


36/42

- Dif icul tades en l a perforac i6n i nc l inada .

Po r o tro lado, e l agua a f e c t a a la s rocas y a los macizos TOCO-

sos en los s igu ien tes aspectos :

a- Aumenta l a velocidad de propagaci6n de la s ondas e l s t i c a s .

b- Reduce l a r e s i s t e nc i a de la s rocas a compresi6n y a t r acc i6n

(Obert,Y Duva1, 1967) a l se r menor l a f r i cc i6n entre p a r t c ~

l a s .

c- Reduc'e l a atenuaci6n de l a onda de tens i6n y por e l l o , s e in

t ens i f i can lo s efec tos de ro tu ra por Et (Ash, 1968).

d- Las juntas l l enas de agua permiten e l paso de la s ondas de

tens in s in qu e se produzca un descostramiento in te rno . Pero

cuando e l macizo en t ra en t e n s i 6 n ~ese agua se movil iza e j e ~

ciendo un efec to de cufia que puede l l e g a r a produci r un a

gran sobreexcavacin.

4.4 . TEMPERATURA DEL MACIZO ROCOSO

Los yacimientos qu e contienen p i r i t a s pueden presen ta r proble

mas de a l t a s temperaturas de l a roca por efecto de l a oxidacin

l en ta de ese minera l , haciendo que lo s agentes explosivos del

t ipo ANFO reaccionen exotermicamente con la p i r i t a excitndose

a p a r t i r de un a temperatura de 120C ~ 10C.

Las l t imas i nv e st ig a ci on e s d el U.S.B.M. apuntan a una primera

reacci6n en t re e l ANFO y e l su l fa to f er ro so h id ra ta do , y ms e ~

pecialrnente en t re e l n i t r a t o am6nico y e l s u lfa to fe rro so h id ra

452


37/42

tado, inicindose una reaccin exotrmica que se automantiene a

par t i r de lo s 80C.

Este su l f a to ferroso es uno de lo s productos de descomposicin

de la s p i r i t a s , adems del su l f a to fr r ico y e l cido su l fr ico .

Fe 8 2 + 7/2 O2 + H20--- Fe +Z + Z80

4- Z + ZH+ (Meteorizacin).

Fe+Z

+ 1/4 0z + H+ - - - Fe+3 + l /Z HZO (Oxidacin ferroso a f ~

rr ico)

Fe 8Z

+ 14 Fe+ 3 + 8HZ

O - - - Fe+ 2 + 280- 2 + 16H+ (reacci6n con

la pi r i t a )

Estas reacciones se ven favorecidas po r la presencia de c i e r - -

t as b acte ria s oxidantes como l a "thiobaci l1us ferro oxidans" y

"thiobaci l1us t iooxidans" que mantienen indefinidamente la s

reacc iones .

Cuando e l ANFO se carga en lo s barrenos, s te se pone en 'contac

to con la p i r i t a , pero t a m b i ~ ncon e l sul fa to ferroso y f ~ r r i c o

desencadenndose mlt ip les reacciones complejas.

Para obviar es te inconveniente que, en var ias ocasiones ha de

sembocado en graves acc identes , se han aadido d i v e r s ~ ssustan

c ia s inhibidoras a l ANFO , t a l e s como urea, o xa la to pots ico ,

~ t c . ,l legando a la conclusi6n de que con e l aporte a l NFO de

un 5% en peso de urea, se ev i t a la reacci6n exotrmica de la

mezcla ternaria hasta una temperatura de 180C (Miron e t a l ,

1979)

453


38/42

50

I I ILEYENDA

Ensayo Inhibidor / .en peso Nota~ 018 Urea 1 R ~ ,- 135C.

o -01 9 Urea 5 No reaccicfn a 180C 21 Rmssk.m CXlk:lte 2 Reaccidn,-150oC

- A23 Allaon 2 Reaccidn, -140 oC. -4

o eA ea

o [] A D e JP u

De e ~ . ..e

E. a ~

.V

ei i . H &i ~ ~ i o- Q~

... eI ~ 8 o

100

300

350

U 250o

o 50 100 150TIEMPO, mine

200 250

Figura 18 . Per f i l e s t iempo-temperatura para mezclas de ANFO-min er a1 -s u1 fa to f er ro s o e inhibidor.

La sens ib i l idad de los explosivos t ipo s lu r ry depende tambin

de l a temperatura de la roca co n l a que es t en contac to , por

e l lo es necesar io p r e s t a r l a mayor atenci6n a este fenmeno.

Una recomendacin genera l cuando se p res en ta n es tos problemas

es l a de l im i t a r e l nmero de barrenos por voladura a f in de

disminui r e l tiempo qu e t ra ns cu rr e e ntr e l a carga y e l disparo .

5. CONCLUSIONES

Los resul tados de la s voladuras dependen bsicamente de la s p r ~

454


39/42

piedades del explosivo y del macizo rocoso. Los intentos por c ~

rrelacionar esos dos grupos de parmetros no han tenido el xi

to esperado ante a dif icul tad de seleccionar muestras r e p r e s e ~

tat ivas que integren las discontinuidades y heterogeneiradesdel macizo rocoso.

Una vez caracter izado ste , la primera etapa en el diseo de

una voladura consiste en elegir e l t ipo de explosivo que mejor

se adapte a las propiedades geomecnicas de l a roca y condicio

nes de t rabajo. En la segunda etapa, se procede a estudiar la

cantidad y distr ibucin de las cargas. Para esta fase se han desarrol lado mlt iples mtodos y expresiones empricas, pero a

nuestro ju ic io , una de las que aportara mayor f iabil idad ser a

aquella que contemplase la veloc idad s smica de propagacin de

las ondas els t icas en el medio a fragmentar. En esta l nea es

tn trabajando algunos centros de invest igacin internacional y

nuestra aportacin a este campo l a expusimos en las VI Jornadas

Minero-Metalrgicas de Huelva (1980).

La te rcera etapa corresponde a l a adecuacin del diseo geom-

t r ico con las variables del control geoestructural , as como e l

clculo de tiempos ptimos de retardo.

455


40/42

ATCHISON, T.C. 1968. Fragmentation PrincipIes , C h.7 .2 . S urfa ce

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