Voladuras en Banco

ASIGNATURA TRONADURA CUARTO CIVIL MINAS

VOLADURAS EN BANCO

1. INTRODUCCION

En los capítulos precedentes se ha analizado la influencia de las propiedades de las rocas en la fragmentación, los criterios de selección de los explosivos, la incidencia de cada variable de diseño de las voladuras Y sus efectos sobre los resultados obtenidos.Queda pues, determinar la disposición geométrica de los barrenos, las cargas de explosivo, la secuencia de encendido y los tiempos de retardo, que constituyenlos principales problemas en la práctica de las voladuras.La expansión de la minería a cielo abierto y la evolución de los equipos de perforación han hecho de las voladuras en banco el método más popular de arranque de rocas con explosivos, y que incluso se haya adaptado e introducido en algunas explotaciones yobras subterráneas.Las voladuras en banco en trabajos a cielo abierto se clasifican según la finalidad de las mismas, pudiendo distinguirse los siguientes tipos:

a) Voladuras en banco convencionales. Se persigue la máxima fragmentación y esponjamiento de la roca.b)Voladuras para producción de escollera. Se busca la obtención de fragmentos gruesos de roca.c) Voladuras de máximo desplazamiento. Se pretende proyectar un gran volumen de roca a un lugar determinado por la acción de los explosivos.d) Voladuras para excavación de carreteras y autopistas. Se caracterizan por los condicionantes que imponen el trazado de la obra y el perfil del terreno.e) Voladuras en zanjas y rampas. Son obras lineales donde por la estrechez y forma de las excavaciones el confinamiento de las cargas es elevado.f) Voladuras para nivelaciones y cimentaciones. Son por lo general trabajos de reducida extensión y profundidad.g) Prevoladuras. Se intenta aumentar la fracturación natural de los macizos rocosos sin apenas desplazar la roca.

En el presente capítulo se estudian únicamente los tres primeros tipos de voladuras.

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A partir de la década de los 50, se han desarrollado gran número de fórmulas y métodos de determinación de las variables geométricas: piedra, espaciamiento, sobreperforación, etc. Estas fórmulas utilizan uno o varios grupos de parámetros: diámetro del barreno,características de los explosivos, resistencia del macizo rocoso, etc.En el Apéndice I de este capítulo se recoge un resumen de las fórmulas de cálculo másimportantes"Otra clasificación usual de las voladuras en banco se hace atendiendo al diámetro de los barrenos:

- Voladuras de pequeño diámetro, desde 65 a165 mm.- Voladuras de gran diámetro, desde 180 a 450 mm.

En las voladuras de pequeño calibre se puede seguir la técnica sueca desarrollada por Langefors y Kihlstrom, mientras que las segundas se adaptan mejor a la técnica del cráter enunciada por Livingston o criterios americanos.No obstante, debido a la gran heterogeneidad de las rocas el método de cálculo debe basarse en un proceso continuo de ensayos y análisis que constituyen un «ajuste por tanteo» (trial and error technique).En los siguientes apartados, se dan reglas simples que permiten una primera aproximación al diseño geométrico de las voladuras y cálculo de las cargas, caracterizando a las rocas exclusivamente por la resistencia a la compresión simple. Es obvio que en cada caso, después de las pruebas y análisis de los resultados iniciales, será necesario ajustar los esquemas y cargas de explosivo a tenor del grado de fisuración y control estructural que ejercen las discontinuidades presentes en el macizo rocoso.

2. VOLADURAS EN BANCO DE PEQUEÑO DIAMETRO

Se denominan voladuras de pequeño diámetro aquellas que se encuentran en el rango de 65 mm a 165 mm de diámetro de perforación y sus aplicaciones más importantes son: explotación de canteras, excavaciones de obras públicas y minería a cielo abierto depequeña escala.Las cargas de explosivo son cilíndricas alargadas con una relación « I/D > 100» y se realizan generalmente con dos tipos de explosivos, uno para la carga de fondo y otro para la carga de columna.

2.1. Diámetros de perforación

La elección del diámetro de los barrenos depende de la producción horaria, o ritmo de la excavación, y de la resistencia de la roca. Tabla 20.1Hay que tener presente que los costos de perforación disminuyen en la mayoría de los casos con el aumento de diámetro.

2.2. Altura de banco

La altura de banco es función del equipo de carga y del diámetro de perforación. Las dimensiones recomendadas teniendo en cuenta los alcances y características de cada grupo de máquinas se recogen en la Tabla 20.2.Por cuestiones de seguridad, la altura máxima aconsejada en minas y canteras es de 15 m y sólo para aplicaciones especiales, como en voladuras para escollera, se deben alcanzar alturas de 20 m.

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2.3. Esquemas de perforación, sobreperforación y retacado

El valor de la piedra «B» es función del diámetro de los barrenos, de las características de las rocas y de los tipos de explosivos empleados.Si la distribución de la carga es selectiva, con un explosivo de alta densidad y potencia en el fondo y otro de baja densidad y potencia media en la columna, los valores de la piedra oscilan entre 33 y 39 veces el diámetro del barreno «D», dependiendo de la resistencia de la roca a compresión simple y de la altura de la carga de fondo.El espaciamiento entre barrenos de una misma fila varía entre 1,15 B para rocas duras y 1,30 para rocas blandas.La longitud del retacado y de la sobreperforación se calcula en función del diámetro de los barrenos y de la resistencia de la roca.En la Tabla 20.3 se indican los valores tentativos de los parámetros geométricos en función de las resistencias de las rocas.

2.4. Inclinación de los barrenos

En la gama de diámetros de trabajo citada los equipos de perforación son habitualmente rotopercutivos de martillo en cabeza, neumáticos e hidráulicos, y de martillo en fondo. Estas máquinas permiten inclinaciones de las deslizaderas con ángulos de hasta 20° eincluso mayores con respecto a la vertical.

La longitud de barreno «L» aumenta con la inclinación, pero por el contrario la sobreperforación «J» disminuye con ésta. Para calcular «L» se utiliza:

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siendo « » el ángulo con respecto a la vertical en grados.

2.5. Distribución de cargas

Teniendo en cuenta la teoría de las cargas selectivas, en la que la energía por unidad de longitud en el fondo del barreno debe ser de 2 a 2,5 veces superior a la energía requerida para la rotura de la roca frente a la carga de columna, y en función de la resistencia de laroca se recogen en la Tabla 20.4 las longitudes de la carga de fondo recomendadas.La altura de la carga de columna se calcula por diferencia entre la longitud del barreno y la suma de la dimensión del retacado y de la carga de fondo.Los consumos específicos de explosivo varían entre 250 y 550 g/m3 para los cuatro grupos de rocas considerados.

2.6. Ejemplo de aplicación

En una cantera se extrae roca con una resistencia a compresión simple de 150 MPa en bancos de 10 m de altura. La perforación se realiza con un equipo rotopercutivo de martillo en cabeza con un diámetro de 89 mm. Los explosivos utilizados están constitui-dos por un hidrogel encartuchado de 75 mm de diámetro y ANFO a granel, con unas densidades respectivas de 1,2 y 0,8 gr/cm3.Se desea determinar el esquema de perforación y la distribución de cargas manteniendo los barrenos una inclinación de 20°.

Sobreperforación: J = 12D = 1,1m Longitud de barreno

Retacado T = 32D = 2,8m Piedra B = 35D = 3,1m Espaciamiento S = 43D = 3,8m

Volumen arrancado VR = BxSx = 125,4m3

Rendimiento de arranque RA = = 10,9 m3/m

longitud de carga de fondo

(Se considera que el peso de la columna aplasta los cartuchos y éstos pasan a tener un diámetro medio superior al nominal en un 10%).

Concentración de la carga de fondo Carga de fondo

Longitud de la

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carga de columna Concentración de la

carga de columna 5 Carga de columna 25.5 Carga de barreno 48.5

Consumo específico 0.387

3. VOLADURAS DE GRAN DIAMETRO

Dentro de este grupo se encuentran las voladuras que se disparan con barrenos de 180 a 450 mm de diámetro. La perforación se suele llevar a cabo con equipos rotativos y triconos que son de aplicación en las grandes explotaciones mineras a cielo abierto y endeterminadas obras públicas en excavaciones para centrales eléctricas, canteras para construcción de presas, etc.En este tipo de voladuras los criterios de diseño se han desarrollado a partir de la teoría del cráter de Livingston, teniendo las cargas cilíndricas una configuración tal que se cumple «I/D < 50».

3.1. Diámetros de perforación

Al igual que con las voladuras de pequeño diámetro, la elección de este parámetro se realiza a partir de la producción horaria y tipo de roca que se desea fragmentar, Tabla 20.5

3.2. Altura de banco

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La altura de banco está relacionada con el alcance de las excavadoras de cables y el diámetro de perforación.Según la capacidad de esos equipos de carga la altura en metros puede estimarse con la siguiente expresión: H = 10 + 0,57 (Cc - 6)donde: Cc = Capacidad del balde de la excavadora (m3).

Teniendo en cuenta la resistencia de la roca, la dimensión de «H» puede también estimarse a partir de «D» con los valores medios indicados en la Tabla 20.6.En algunos casos la altura de banco está limitada por la geología del yacimiento, por imperativos del control de la dilución del mineral y por razones de seguridad,como ya se ha indicado.En general, en explotaciones metálicas se mantiene una relación «H/B < 2».

3.3. Retacado

La longitud de retacado se determina en función del diámetro y la resistencia de la roca, Tabla 20.7.

3.4. Sobreperforación

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La sobreperforación suele calcularse a partir del diámetro de los barrenos. Tabla 20.8.Cuando se perforan barrenos verticales, la sobreperforación de la primera fila alcanza valores de 10 -12D.Se pueden emplear longitudes de sobreperforación menores que las indicadas en los siguientes casos:

- Planos horizontales de estratificación y coincidentes con el pie del banco. Aplicación de cargas selectivas de explosivo.- Empleo de barrenos inclinados.

3.5. Inclinación

En la gama indicada de diámetros es muy frecuente el empleo de la perforación rotativa. Debido a los inconvenientes que plantea la angulación del mástil en este tipo de perforadoras, sobre todo en rocas duras, se utiliza sistemáticamente la perforación vertical.Un ejemplo típico lo constituyen las explotaciones de minerales metálicos con alturas de banco comprendidas entre 10 y 15 m.Sin embargo, en rocas blandas y con alturas de banco superiores a 24 m es aconsejable la perforación inclinada. Así sucede en las explotaciones de carbón del tipo descubierta.

3.6. Esquemas de perforación

El valor de la piedra «B», como ya se ha indicado, es función del diámetro de la carga, de la resistencia de la roca y de la energía específica del explosivo utilizado.El diámetro de la columna de explosivo suele coincidir con el diámetro de perforación, ya que es normal el empleo de agentes a granel y sistemas mecanizados de carga desde camión que permiten, además de un ritmo de llenado alto, variar las características del explosivo a lo largo de dicha columna.En la Tabla 20.9 se indican los valores recomendados del burden y el espaciamiento en función del tipo de roca y explosivo utilizado.

3.7. Distribución de carga

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En las grandes explotaciones a cielo abierto se ha venido utilizando de forma regular el ANFO como carga única, debido a las siguientes ventajas:

- Bajo costo- Elevada Energía de Burbuja- Seguridad- Facilidad de mecanizar la carga, etc.

El empleo de los hidrogeles se ha visto limitado a los casos en que no era posible la utilización del ANFO, como por ejemplo cuando los barrenos alojaban agua en su interior, o simplemente cuando los cartuchos colocados en el fondo actuaban de iniciadores o cebos del resto de la columna de explosivo.En la actualidad, el desarrollo de las emulsiones y la posibilidad de obtener en el propio camión de carga mezclas de emulsión y ANFO (ANFO-Pesado) ha propiciado la implantación de las cargas selectivas.El sistema consiste en la creación de una carga de fondo de un explosivo denso con una longitud de «8 a16 D", según el tipo de roca, y llenado del resto del barreno con ANFO.Esta técnica de carga proporciona el costo mínimo de perforación y voladura junto a los resultados óptimos de la operación en términos de fragmentación, esponjamiento, condiciones de piso y geometría de la pila.En las voladuras de gran diámetro los consumos específicos de explosivo varían entre 0,25 y 1,2 kg/m3.

3.8. Ejemplo de aplicación

En un yacimiento metálico las voladuras se perforan en un diámetro de 251 mm con barrenos verticales, utilizándose dos tipos de explosivos, una emulsión para el fondo en una longitud de «8 D» y densidad de 1,3 g/cm3 y el resto ANFO a granel con una densidad de 0,8 g/cm3.

Calcular los esquemas y cargas de explosivo sabiendo que la altura de banco es H = 12 m y la resistencia de la roca RC = 110 MPa.

Sobreperforación J = 8 D = 2,0m Longitud de barreno L = H + J = 14,0 m

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Retacado T = 32 D = 8,0 m Piedra B = 23 D = 5,8 m Espaciamiento S = 27 D = 6,8 m . Volumen arrancado VR = B x S x H =473,3 m3

Rendimiento de arranque RA = VR/L = 33,8 m3/ml

Longitud de carga de fondo If= 8 D = 2,0 m

Concentración de la carga de fondo qf = 64,24 kg/m

Carga de fondo Qf = 128,5 kg Longitud de la carga de

columna lc = 4,0 m Concentración de la

carga de columna qc = 39,53 kg/m Carga de columna Qc = 158,1 kg Carga de barreno Qb = 286,6 kg Consumo específico CE = Qb/VR = 0,605 kg /m3

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