Captulo 19I

VARIABLES CONTROLABLES DE LAS VOLADURAS

, 1. INTRODUCCION

En el clculo y diseo de las voladuras las variablesI que son controlables se clasifican en los siguientes

grupos:

A. Geomtricas (dimetro, longitud de carga, piedra,I espaciamiento,etc).

B. Qumico-Fsicas o del explosivo (tipos de explo-sivo, potencia, energa, sistemas de cebado, etc).

i C. De tiempo (tiempos de retardo y secuenciade ini-ciacin).

Para lograr una mejor comprensin y normalizar lasimbologa utilizada en este texto, en la Fig. 19.1 serepresenta una voladura en banco donde se ilustran lasdiferentes variables de diseo y las expresiones msfrecUentes en el argot de los trabajos de arranque conexplosivos.

/

Variables de diseo

HDLdBSLVAVBeSerJIev/wt,

= Altura de banco= Dimetro del barreno

= Longitud del barreno= Dimetro de la carga= Piedra nominal

= Espaciamiento nominal= Longitud de la voladura= Anchura de la voladura= Piedra efectiva

= Espaciamiento efectivo= Retacado

= Sobreperforacin= Longitud de carga= Angulo de salida= ,Grado de equilibrio= Tiempo de retardo

AV

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O~~~ :--- \J~ c:::~- 01 .- --q)e C(~ 00

\'" ~A--'3~ \z:: O '--"' 0\\ \\ \ !ZI.

q q \seb2 ~.\ \ '\q q 03

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r=

Figura 19.1. Esquema de una voladura en banco.

243

rn[2J[3][4][5]ffi][1]rnJ

- Repi- Caa del barreno- Roca saliente o en voladizo- Sobreexcavacin- Grieta de traccin- Descabezamiento- Crter de bocazo

- Carga desacoplada

A continuacin, se expone la influencia sobre losresultados de las voladuras de cada una de las varia-

bles indicadas y las tendencias actuales seguidas en sueleccin.

2. DIAMETRO DE LOS BARRENOS

El dimetro de perforacin idneo para un trab?jodado depende de los siguientes factores:

- Caractersticas del macizo rocoso que se deseavolar.

- Grado de fragmentacin requerido.

- Altura de banco y configuracin de las cargas.

- Economa del proceso de perforacin y voladUTa.

- Dimensiones del equipo de carga.

Cuando el dimetro de los barrenos D es pequeo,los costes de perforacin, cebado e iniciacin sernaltos, y en las operaciones de carga, retacado y cone-xin se invertir mucho tiempo y mano de obra. Si Des muy pequeo, la nica ventaja que se presenta es lamejor distribucin del explosivo y por lo tanto un con-sumo especfico de ste menor.

Cuando los dimetros son grandes, y por consi-guiente lo son los esquemas de perforacin, la granu-lometra que se obtendr en las voladuras podr llegara ser inaceptable si la familia de diaclasas y disconti-nuidades presentan un espaciamiento amplio y con-forman bloques in situ. Fig. 19.2.

A)

B)

77f177'f~'~ Il" li BLOQUE DE ROCA IN-S1TU NOMllllJJill ATRAVESADA POR BARRENOS

Figura 19.2. Influencia del esquema de perforacin y de lasdiscontinuidades en la produccin de grandes bloques.

244

'---

En tales casos se recomienda que el espaciamientoentre barrenos sea menor que la separacin mediaentre fracturas. Tambin debe procederse de igual'~manera si el rea a volar est constituida por u na matrizelasto-plstica que engloba bloques de roca sana quedifcilmente pueden fragmentarse si no se intersectan "-con barrenos en una malla cerrada.

El aumento de D va acompaado de las siguientesventajas:

'---

- Elevacin de la velocidad de detonacin de losexplosivos, por lo que se producir la detonacinen un rgimen ms estable y menos afectado por,,-las condiciones externas.

- Disminucin del coste global de perforacin y vo-ladu ra.

- Posibilidad de mecanizacin de la carga de explo-sivo.

'---

- Mayor rendimiento de la perforacin (m3 vola- '--dos/mi perforado).

- Aumento del rendimiento de la excavadora como

consecuencia de la reduccin de zonas de baja "-productividad.

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---o.m. "m;..",,~ ""..~~_.-

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J

En cuanto a la fragmentacin, si se desea que per-manezca constante y se aumenta "O, ser precisoelevar el consumo especfico de explosivo pues las

J cargas estn peor distribuidas en el macizo rocoso.

La longitud de retacado "T aumenta con el dime-

J tro de perforacin, pudiendo llegar a constituir la partealta del barreno una fuente potencial de formacin debloques.

En rocas masivas, cuando la longitud de carga , 60, un incremento de "O obligaa elevar el consumo especfico si se quiere mantener

..-/ la fragmentacin.En voladuras a cielo abierto los dimetros cubren un

amplio rango desde los 50 mm hasta los 380 mm. EnJ obras pblicas es habitual operar con valores de "O

entre 50 y 125 mm, mientras que en minera la tenden-cia ha sido incrementar este parmetro de diseo,

..-/ siendo habituales dimetros comprendidos entre 165mm y 310 mm.

En trabajos subterrneos el aumento del dimetro de.-/ los barrenos ha sido limitado y slo en la minera met-

lica se han alcanzado valores entre 125 mm y 220 mm.En el avance de galeras y tneles se opera en el rangode 32 mm a 64 mm y en las voladuras en banco para

j excavaciones de cavernas lo normal son calibres entre64 y 90 mm.

En relacin con los equipos de carga, debe existir un/ equilibrio entre las dimensiones de stos, los dime-

tros de perforacin y la capacidad de las unidades detransporte, Fig. 19.4.

--'

../

../

../

;.

../

../

../ 9 - 10 11m3

../

../Figura 19.4. Tringulo de dimensionamiento de los equipos

de perforacin, carga y transporte.

../

3. ALTURA DE BANCO

La rigidez del paraleleppedo de roca situado de-lante de los barrenos tiene una gran influencia sobrelos resultados de las voladuras. Cuando la relacin"H/B es grande, el desplazamiento y deformacinde la roca es fcil, particularmente en el centro delbanco. Ash (1977) seala que la relacin ptima es"H/B:2: 3.

Si "H/B = 1, se obtendr una fragmentacingruesa con problemas de sobreexcavacin y repis.Con "H/B = 2 se aminoran estos efectos, eliminn-dose en su totalidad con "H/B :2: 3.

~

IrB~1

T

H

B~2

H

B~3

Figura 19.5. Estados de flexin de un banco con distintasrelaciones HIB (Ash).

La condicin "H/B :2: 3 se cumple generalmenteen canteras y en explotaciones de descubierta decarbn, pero no en minera metlica puesto que laaltura de banco viene impuesta por:

- El alcance de la mquina de carga, y

- La dilucin del mineral.

Cuando "H es pequea cualquier variacin de lapiedra "B o el espaciamiento "S tiene una graninfluencia en los resultados de las voladuras. Cuando"H aumenta, manteniendo "B constante, el espa-ciamiento puede incrementarse sin verse afectada lafragmentacin hasta un valor mximo.

Si las alturas de banco son muy grandes, puedenpresentarse problemas de desviacin de los barrenosque afectarn no slo a la fragmentacin de la roca,sino que incluso aumentarn el riesgo de generarfuertes vibraciones, proyecciones, y sobreexcavacio-nes, pues la malla de perforacin "B x S no se man-tendr constante en las diferentes cotas del barreno.

245

22 //

//

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// Uneo media

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~ 20"Oo'"

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oi5 16Q:Q:

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Canteras

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8

6

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2

6 18 2412

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200

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100

50

30 48 54ALTURA DE BANCO1m)

"--'

36 42 60

Figura 19.6. Dimetro de perforacin vs. Altura de banco.

4. INCLlNACION DE LOS BARRENOS

En las voladuras en banco la perforacin inclinadapresenta numerosas ventajas, pero tambin algunosinconvenientes que debern ponderarse en cada casoparticular. Habitualmente, con equipos de perforacinrotopercutivos los barrenos son inclinados, pero en lasgrandes minas a cielo abierto donde se utilizan perfo-radoras rotativas la tendencia parece dirigirse hacialos barrenos verticales.

Las ventajas que presenta la perforacin inclinadason:

- Mejor fragmentacin, desplazamiento y esponja-miento de la pila de material, ya que se mantienems uniforme el valor de la piedra B a lo largo delbarreno y aumenta el ngulo de la trayectoria deproyeccin. Fig. 19.7. '.

SECUENCIA DE INICIACIDN

,/

-

Figura 19.7. Perforacin inclinada vs. Perforacin vertical.

246

"--'

- Menores problemas de descabezamiento de barre- ',,-nos, Fig. 19.7, disminuyendo as los cortes y fallosen las voladuras.

- Taludes ms sanos y seguros en los nuevos bancos,creados. '----

- Mayor rendimiento de las palas cargadoras de rue-das debido a la menor altura y mayor esponja-

~miento de la pila. '---

- Menor sobreperforacin y mejor aprovechamientode la energa del explosivo con la consiguientedisminucin del nivel de vibraciones producido. '---

- Menor consumo especfico de explosivo al refle-jarse de forma ms eficiente la onda de choque enel pie del banco y posibilidad de aumentar la di- "-mensin de la piedra con menor riesgo de apari-cin de repis. Fig. 19.8.

..........

- En explotaciones de carbn, no se produce una

'--ZONA PRODUCTORA

DE BLOQUES

'--

'--

"-...

Figura 19.8, Ventajas de los barrenos inclinados.'--

~

sobretrituracin de ste durante la voladura de es-tril.

- Mayor rendimiento de la perforacin por unidadvolumtrica arrancada.

Por el contrario, los inconvenientes son:

- Mayor desviacin de los barrenos cuando stosson largos.

- Aumenta la longitud de perforacin.

- Dificulta el posicionamiento de las perforadoras ylas operaciones de emboquille.

- Exige una supervisin cuidadosa que repercute enlos tiempos improductivos.

- Disminuye el empuje disponible en las perfora-doras. por lo que en rocas duras la velocidad depenetracin se ve limitada en proporcin directaal ngulo de inclinacin del mstil.

- Mayor desgaste de las bocas, varillaje y estabili-zadores.

- Menor disponibilidad mecnica de la mquina deperforacin, debido a los mayores esfuerzos defatiga en el mstil y desgastes en el sistema detraslacin.

- Con excavadoras de cables la reduccin de laaltura de la pila repercute negativamente en elrendimiento de carga.

- Empeoramiento del barrido delos detritus, debido alas fuerzas de rozamiento que hacen necesario unaumento del caudal de aire.

- Problemas de carga de explosivo, especialmenteen barrenos con agua.

5. RETACADO

El retacado es la longitud de barreno que en la partesuperior se rellena con un material inerte y tiene lamisin de confinar y retener los gases producidos en laexplosin para permitir que se desarrolle por completoel proceso de fragmentacin de la roca. Si el retacadoes insuficiente se producir un escape prematuro delos gases a la atmsfera, generndose problemas deonda area y riesgo de proyecciones. Por el contrario,con un retacado excesivo se obtendr gran cantidadde bloques procedentes de la parte alta del banco,poco esponjamiento de la pila de material y un nivel devibracin elevado.

En la determinacin del retacado, se deben tener encuenta:

- El tipo y tamao del material utilizado, y

- La longitud de la columna de retacado.

Normalmente, el material que se emplea es el detri-fa de perforacin, debido a su disponibilidad junto ala hoca del barreno. Sin embargo, recientes estudios

han demostrado que el material granular anguloso,como la piedra procedente de machaqueo, es msefectivo y que la resistencia a la eyeccin de la columnade retacado aumenta con la disminucin del contenidode humedad.

El retacado ms eficaz se alcanza para tamaos

de partcula entre .d/17 D y ,,1/25 D.Las investigaciones realizadas por Otuonye indican

que utilizando un material de retacado con un di-metro ,,1/25 D procedente de trituracin, puede re-ducirse la longitud de retacado hasta un 41 %.

En la prctica, las longitudes ptimas de retacadoaumentan conforme disminuyen la competencia y ca-lidad de la roca, variando entre ,,20 D y ,,60 D". Siem-pre que 3ea posible debe mantenerse una longitud deretacado superior a ,,25 D para evitar los problemasde onda area, proyecciones, cortes y sobreexcava-ciones.

En voladuras mltiples, debe prestarse especial cui-dado en el retacado de los barrenos de la primera fila,sobre todo cuando el frente se encuentra con irregula-ridades que hacen que desde la cabeza al pie del bancola dimensin de la piedra varie ampliamente.

Cuando el cebado se realiza en cabeza hay quetener en cuenta el efecto negativo del cordn deto-nante sobre el material de retacado, ya que lo com-prime lateralmente creando una va de escape prema-turo de los gases de explosin a la atmsfera.

En voladuras subterrneas con el mtodo de barre-nos largos, el retacado intermedio entre las cargasespaciadas y secuenciadas se dimensionar para evi-tar la iniciacin simultnea por simpatia y la desensibi-lizacin por precompresin, manteniendo un grado defragmentacin de la roca que no dificulte la carga.

6. SOBREPERFORACION

La sobreperforacin "J es la longitud de barrenopor debajo del nivel del piso que se necesita para rom-per la roca a la altura del banco y lograr una fragmenta-cin y desplazamiento adecuado que permita al equipode carga alcanzar la cota de excavacin prevista.

Si la sobreperforacin es pequea no se producir elcorte en la rasante proyectada, resultando la aparicinde repis con un considerable aumento de los costesde carga.

Pero, si la sobreperforacin es excesiva se produ-cir:

- Un aumento de los costes de perforacin y vola-dura.

- Un incremento del nivel de vibraciones.

- Una fragmentacin excesiva en la parte alta delbanco inferior, que provocar problemas en laperforacin del mismo y afectar en las zonas fina-les de corta a la estabilidad de los taludes.

- Un aumento del riesgo de descabezamiento y so-breexcavacin al acentuarse la componente verti-cal de desplazamiento de la roca.

247

La rotura en el fondo del barreno se produce enforma de conos invertidos cuyos ngulos con la .hori-zontal dependen de la estructura del macizo y de lastensiones residuales. Normalmente, varan entre 10 y30, Fig. 19.9.

s

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Figura19.11. Dimensin de la piedra en funcin del dime-tro de perforacin.

"--..

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j

CONDICIONES DEL TERRENO-B

,

. Planos de discontinuidad en el pie delbanco. Roca estratificada horizontal. O

. Repis poco probables. Roca blanda 0,1-0,2

. Repis normales. Roca media 0,3

. Repis difciles. Roca dura 0,4-0,5

"-

ROCA BLANDA

"-

ROCA MEDIA

"-

ROCA DURA

'-

./

lores mayores o menores con respecto al terico pre-visto pueden darse en las siguientes situaciones:

/

- Error de posicionamiento o replanteo del ba-rreno.

- Falta de paralelismo entre el barreno y la cara delbanco.

- Desviaciones del barreno durante la perforacin.

- Irregularidades en el frente del talud.

/

/

Si la piedra es excesiva los gases de la explosinencuentran mucha resistencia para agrietar y despla-

/ zar la roca, y parte de la energa se transforma enenerga ssmica aumentando la intensidad de las vi-braciones. Este fenmeno tiene su manifestacin ms

/ clara en las voladuras de precorte donde el confina-miento es total y se registran niveles de vibracin hastacinco veces superiores a los de una voladura en banco.

Si la dimensin de la piedra es reducida los gases seescapan y expanden a una velocidad muy alta hacia el

. frente libre, impulsando a los fragmentos de roca, pro-yectndolos de forma incontrolada, y provocando

/ adems un aumento en la sobrepresin area y elruido.

En cuanto al espaciamiento "S", su valor se calcula/ en funcin de la piedra, del tiempo de retardo entre

barrenos y de la secuencia de encendido. Espacia-mientos muy pequeos producen entre las cargas un

/ exceso de trituracin y roturas superficiales en cr-ter, bloques de gran tamao por delante de la fila debarrenos y problemas de repis. Fig. 19.12.

/

/

ESPACIAMIENTO INSUFICIENTEROTURA EN CRATER

/PROBLEMASDE REPIES " """ ""~ .,

I I --- '.,'",

Foto 19.2. Perforacin de una voladura de gran dimetro.

9. GEOMETRIA DEL FRENTE LIBRE

La geometra del frente ms efectiva es aquella en laque cada punto de esa superficie equidista del centrode la carga de explosivo. Con pequeas cargas esfri-cas esa situacin se presenta en el taqueo de bolosdonde con una pequea carga confinada en un ba-rreno se consigue la rotura con unos pocos consu-mos que llegan a ser muy bajos, del orden de 80-100g/m3. Sin embargo, en voladuras de produccin concargas cilndricas las condiciones son diferentes yson necesarias mayores cantidades de explosivo.

La geometra del frente ms efectiva se consigue:

- Disponiendo la cara libre y los barrenos de formaque sean paralelos o formen el ngulo ms pe-queo posible.

- Estando la roca, prxima a la superficie, algo frac-turada por las voladuras precedentes.

- Diseando una secuencia de encendido en la quecada barreno disponga de un frente que forme unasuperficie semicilndrica convexa o biplanar. Fig.19.14.

SECUECIA DEINICIACION

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DIRECCION PRINCIPALDE DESPLAZAMIENTO

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Figura 19.17. Voladura con un frente libre.

- Con dos frentes libres las voladuras deben di-searse con LV/AV> 2. Fig. 19.18.

En contraposicin, los inconvenjentes de las vola-duras con filas mltiples son:

- Aumento de la intensidad de las vibraciones y ondaarea producidas, por lo que en algunos casos,como en las proximidades de zonas urbanas, noson aplicables.

i , I , i i : i ,i FRENTE , I , i

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Figura 19.18. Voladura con dos frentes libres.

- Aparicin de sobreexcavaciones yproyecciones enlas ltimas filas si no se ha disparado con unasecuencia correcta.

- En rocas muy blandas, reduccin de la bonifica-cin del volumen arrancado por sobreexcavacinal disminuir el nmero de voladuras.

Foto 19.3. Voladura con dos frentes libres.

251

11. VOLUMEN DE EXPANSION DISPONIBLE

Cuando la roca se fragmenta se produce un aumentode volumen. Si el hueco en el que se expande el mate-rial es menor del 15% del volumen de ste, los meca-nismos de rotura se vern afectados negativamente ylos fragmentos de roca tendern a entrelazarse dandocomo resultado un apelmazamiento de stos.

En voladuras subterrneas de gran tamao, se re-comienda que el volumen de expansin disponible seamayor del 25% para conseguir un flujo adecuado de'laroca hacia los puntos de carga y evitar la formacin decampanas colgadas.

En el avance de tneles y galeras si el volumen dehueco en el cuele es demasiado pequeo se producirun fenmeno de sinterizacin o deformacin plsticadel material finamente troceado. Siempre que sea po-sible se recomienda que el volumen de expansin tilsea mayor del 15%del propio volumen del cuele. Enaquellos diseos de voladuras donde no se dispone debarrenos vacos, el empuje de la roca se conseguir aexpensas de aumentar la carga especfica en dichazona.

12. CONFIGURACION DE LAS CARGAS

Cuando los barrenos sean de pequea longitud seusarn columnas continuas de explosivo, pero si losbarrenos son de bastante profundidad la mejor rela-cin coste/efectividad se obtendr con cargas espa-ciadas.

Harries y Hagan (1979) han demostrado que la ten-sin generada por la detonacin de una carga au-menta cuando la relacin I/D se incrementa de O a20, permaneciendo constante a partir de ese valor.De esta forma, empleando la relacin