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Definicin racional de ripabilidad o volabilidad de los macizos rocosos. Factores econmicos y tcnicosFrancisco Javier Luengo Rodrguez Salvador Gonzlez Sols Director Tcnico de PEAL Departamento Tcnico UEE

1.- INTRODUCCIN Frecuentemente en las obras civiles y algunas explotaciones mineras existe, en lo relativo a excavaciones de macizos rocosos, una clara desconexin entre proyecto y realidad. La caracterizacin atribuida a los desmontes en la fase de estudio o investigacin no coincide (o lo hace muy poco) con lo que el ejecutor se encuentra en los tajos en el momento de su realizacin. Esto se produce cuando, en fase de proyecto, se califica a la roca de un desmonte como ripable o volable, no teniendo claro la importancia de lo que esto implica. Esta definicin condiciona el enfoque de los trabajos, los medios, plazos y permisos para realizarlos, y sobre todo el precio de la unidad de excavacin; lo que influye de forma determinante en el presupuesto para la realizacin de la misma. Esta situacin nos puede conducir a unas problemticas, nada despreciables, que aqu trataremos de analizar: Problemtica tcnica: de acuerdo con el proyecto se dimensionan, preparan y trasladan al lugar de las excavaciones los equipos tcnicos y humanos necesarios (a veces con un elevado coste e importantes inversiones) observando (desgraciadamente, ya durante el desarrollo de los trabajos) su inoperancia o decepcionantes rendimientos. El factor tiempo que supone el cambio a nuevos mtodos de excavacin, condicionar entonces nuestro plan de obra o explotacin, lo que lleva ligado irremediablemente una nueva e imprevista problemtica. Problemtica econmica: los nuevos costes conducirn a una revisin de los presupuestos. Si no es as, ello originar una situacin de discusin (entre direccin de obra y contratistas) por los precios de la unidad de excavacin. Esto puede llegar en casos extremos, si se fuerzan los trabajos con mtodos inadecuados y antieconmicos, al abandono de los trabajos por la contrata y a irremediables situaciones de incertidumbre y prdidas econmicas para la direccin de obra. Problemtica administrativa: una labor en la que los terrenos se consideren inicialmente excavables por medios mecnicos, en la que se comprobara, ya en fase de ejecucin, que slo es realizable mediante labores de voladura, conllevar un retraso inevitable y costossimo debido al tiempo necesario para la obtencin a posteriori de los permisos pertinentes. No olvidemos lo que la experiencia nos dicta: retrasos en la primera fase de arranque conducen, casi de forma inexorable, a considerables dilaciones en la entrega de la obra finalizada.

2.- METODOS DE ARRANQUE DE ROCAS EN MINERIA Y OBRA CIVIL. A continuacin, se describen los distintos mtodos de arranque mecnico, seguidos de una descripcin somera de las tcnicas de perforacin y voladura. Nos hemos centrado solamente en los equipos y tcnicas que pueden verse implicados en aquellas labores que encajan en ese umbral donde cabe la discusin ripabilidad-volabilidad. 2.1- Arranque mecnico Como decimos, no citamos aquellas mquinas (dragalinas, rotopalas, mototraillas, etc.) de gran uso en algunos materiales muy fcilmente excavables, en los que no existe duda alguna sobre su eficacia y rendimiento frente a otros equipos o sistemas de arranque.

Ripabilidad versus volabilidad

2 de 2TRACTORES Fue en 1920 cuando se mont la primera hoja de empuje en un tractor. De ah proviene la palabra bulldozer que era el nombre con que se conocan a esas hojas y cuya traduccin literal quiere decir niveladora de toro. Existen dos tipos de tractores: de ruedas y de orugas. Estos ltimos, son los ms conocidos y empleados como unidades de produccin en operaciones de arranque y empuje, tanto en minera como en obra pblica. La diferencia operativa principal es la fuerza que pueden ejercer para la excavacin y empuje, su disponibilidad para maniobrar en firmes en malas condiciones, y la movilidad para desplazarse entre tajos. Los tractores son equipos verstiles, por lo que su campo de actuacin, adems del que le corresponde como unidad auxiliar, se puede centrar en los trabajos de arranque y transporte. Estos, son efectuados por el escarificador o rper y por la hoja de empuje, respectivamente. La operacin que nos ocupa, en este caso, es el ripado o escarificado de un terreno. Consiste en desgarrar o romper la textura de los materiales, empleando para ello un til mecnico rper- al que se somete a una fuerza de penetracin y a otra de traslacin. Es evidente que no todas las rocas son ripables. Una primera gua para estudiar su ripabilidad es el origen de las mismas. Las rocas gneas, por lo general, son poco ripables, slo lo sern cuando presenten un intenso grado de fracturacin y meteorizacin. Las rocas metamrficas varan mucho en ripabilidad, dependiendo de su esquistosidad. Las rocas sedimentarias, cuya principal caracterstica es la estratificacin, son tanto ms ripables cuanto menor es la potencia de los estratos. Los fabricantes de tractores suelen proporcionar bacos como el de la figura donde se pueden observar los niveles de produccin con tractor para materiales de diferentes velocidades ssmicas. Los valores obtenidos de estos bacos son calificados generalmente por las empresas de excavacin como excesivamente optimistas, sobre todo en lo que se refiere a velocidades ssmicas superiores a 1.000 m/s.

El peso de la mquina favorece el agarre de las cadenas para la traccin, pero condiciona el consumo de combustible que puede alcanzar 80 l/hora. Ripar a favor de la pendiente permite aprovechar el peso del tractor, pero debe tenerse en cuenta que la direccin de ripado tiene que ser perpendicular a las juntas o fracturas dominantes y en sentido del buzamiento de los mismos. Intentar aumentar la velocidad o profundidad de ripado para mejorar las producciones puede significar desgastes muy elevados en el tren de rodaje y esfuerzos considerables del rejn. Su capacidad para


3 de 3remontar pendientes se limita hasta los 45. Ripar en tndem (dos tractores en serie con un solo rejn) es prohibitivo puesto que prcticamente duplica los costes. La profundidad de ripado est limitada por la potencia del tractor y dureza del terreno, y casi nunca es superior a 1,5 m. Hay que tener en cuenta ciertas caractersticas fsicas de las formaciones rocosas que favorecen o dificultan el escarificado de un terreno:

FAVORABLES

DESFAVORABLES

Fracturas, fallas y planos de discontinuidad de Formaciones masivas y homogneas. cualquier tipo. No cristalinas y no frgiles. Meteorizacin Sin discontinuidades. Origen cristalino y fragilidad De grano fino y agente de cementacin Grado de estratificacin y esquistosidad slido. Baja resistencia a la compresin y gran tamao de Comportamiento plstico. grano.

El aumento en tamao de los tractores en los ltimos aos ha introducido nuevos problemas que requieren una revisin de los criterios de diseo para minimizar los espacios de maniobra requeridos, mejorar el desplazamiento entre tajos de trabajo y la visibilidad de los operadores. Hay en el mercado algunos tractores con escarificadores de impactos. Estos elementos tienen un diseo similar a los martillos hidrulicos y permiten elevar la posibilidad de intentar ripar rocas ms desfavorables (all donde se nos permitan bajas producciones). El martillo hidrulico se acciona automticamente siempre que la fuerza en la barra de tiro alcance un determinado valor, ayudando as a fragmentar y desbloquear las rocas. Las pruebas realizadas con tractores de este tipo han demostrado que con estos equipos se acentan notablemente los desgastes, as como el problema de vibraciones y ruidos generados por los martillos hidrulicos.

El lmite de ripabilidad para un tractor ser finalmente una solucin de compromiso que englobar criterios econmicos o de coste, tcnicos o de rendimientos, y en ocasiones, incluso hasta los de tipo ambiental. Todo esto con las lgicas salvedades que impone cada caso particular y que como decimos debern estudiarse con rigor. Los buenos conocedores de los tractores parecen coincidir que con los ms modernos, la obtencin de rendimientos inferiores a 300 m3 /hora implica irrentabilidad (partiendo por supuesto de buenos maquinistas y con los precios actuales) EXCAVADORAS La excavadora hidrulica apareci en Alemania en los aos 50 como equipo de movimiento de tierras para la apertura de zanjas. Constituye en la actualidad, tras haber alcanzado su madurez, un equipo alternativo de carga y excavacin (con limitaciones), tanto en las explotaciones mineras como en las obras pblicas. Existen principalmente dos configuraciones bsicas de excavadoras hidrulicas: frontales y retros. La diferencia de diseo entre estas unidades se centra en el sentido de movimiento de los cazos y en la geometra de los equipos de trabajo. Normalmente, los fabricantes las ofrecen en las dos versiones. Durante la operacin, los dos diseos difieren fundamentalmente en la accin de excavacin y perfil de trabajo. Excavadoras retros: Capacidades de 2 a 25 m3. Potencias desde 300 HP (224 kW ) a 2.400 HP (1.790 kW).Ripabilidad versus volabilidad

4 de 4Pesos en operacin desde 50 a 425 t. Excavadoras frontales: Capacidades desde 2 a 30 m3. Potencias desde 300 HP (224 kW) a 2.400 HP (1.790 kW). Pesos en servicio desde 52 a 425 t. Como una innovacin ms, a nivel de aumentar posibilidad de rocas ms difciles, cabe mencionar los cazos vibratorios. Este diseo consiste en unas cuchillas portantes en la parte superior del cazo dotadas de un movimiento vibratorio mediante un pistn hidrulico situado en el fondo del mismo. El movimiento vibratorio del citado elemento, que se encuentra en contacto con la roca en el momento de la excavacin, ayuda a conseguir una carga ms rpida a arrancar materiales ms compactos siempre que presenten diaclasas naturales. Los resultados obtenidos con equipos pequeos son satisfactorios, pero con bajos rendimientos, y con aumento del nivel de vibraciones y ruido al que se somete el operario de la mquina y el entorno.

Los rendimientos y problemas mecnicos obtenidos por las excavadoras para el arranque de macizos rocosos sin voladura previa convencional o prevoladura, limitan su uso como mquinas de arranque directo a terrenos de muy baja velocidad ssmica y con abundantes superficies de estratificacin, diaclasas o fracturas. Por ejemplo, para una retro de 60 t la obtencin de medias de rendimiento inferiores a los 180 m3/hora implica hoy prdidas econmicas y por tanto la necesidad de volar si quiero rentabilidad en ese equipo. Pudiendo alcanzarse rendimientos en ese caso del orden de 250 a 280 m3/hora, todo ello por supuesto partiendo de una buena profesionalidad del operador. MARTILLOS ROMPEDORES El primer martillo hidrulico fue desarrollado en 1969. Hoy esta gama de martillos (tambin denominados picapica) montados sobre el brazo de una retroexcavadora, permiten la excavacin puntual de rocas semi-duras. Cabe destacar los martillos llamados de pistn variable. La cantidad de energa proporcionada en cada golpe de este tipo de martillos, est calculada en funcin de la respuesta del terreno en el golpe precedente. Cuanto ms duro es el terreno, ms energa por golpe es proporcionada y la frecuencia por golpe disminuye. La variacin de frecuencia alcanza los 1.050 golpes / minuto en rocas blandas y se limita a 400 golpes / minuto en las duras. Producciones (cuestionables) de estos martillos facilitadas por sus fabricantes oscilan desde 35 m3 in situ por hora para pizarras de 25 MPa, hasta 5 m3 en calizas de 80 MPa. Segn stos, podran llegar a romper rocas de hasta 100 MPa. Pero sus limitaciones de utilizacin vienen ms bien impuestas por sus bajas producciones. Los altos niveles de ruido y vibraciones de baja frecuencia y durante largos perodos que estos equipos generan (se adjunta registro de vibraciones en granito de un martillo de 215 kgm a 10 m de distancia produce vibraciones de 10 mm/s), hacen que estos elementos sean utilizables slo para la fragmentacin secundaria (taqueo de bolos), eliminacin de repis, o excavacin de muy pequeos volmenes de roca y en situaciones muy determinadas.

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2.2- Arranque con perforacin y voladura PERFORADORAS La perforacin de las rocas dentro del campo de las voladuras es la primera operacin que se realiza y tiene como finalidad abrir unos huecos, con la distribucin y geometra adecuada dentro de los macizos, donde alojar a las cargas de explosivo y sus accesorios iniciadores. Dentro de la amplia variedad de los trabajos de excavacin con explosivos, se han desarrollado un gran nmero de mquinas que dan lugar a dos procedimientos de perforacin: Perforacin manual: se lleva a cabo con equipos ligeros manejados a mano por los perforistas. Se utiliza en trabajos de pequea envergadura donde, por las dimensiones, no es posible utilizar otras mquinas o no est justificado econmicamente su empleo. Perforacin mecanizada: los equipos de perforacin van montados sobre unas estructuras, de tipo mecano, con las que el operador consigue controlar todos los parmetros de la perforacin desde unas posiciones cmodas. Estas estructuras o chasis pueden ir montadas sobre neumticos u orugas y ser automotrices o remolcables. Los dos grandes mtodos mecnicos de perforacin de rocas son los rotopercutivos y los rotativos. Mtodos rotopercutivos: Son los ms utilizados en casi todos los tipos de rocas, tanto si el martillo se sita en cabeza como en el fondo del barreno. Mtodos rotativos: Se subdividen a su vez en dos grupos, segn la penetracin se realice por trituracin (empleando triconos) o por corte (utilizando bocas especiales). El primer sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas. Atendiendo a la resistencia a compresin de las rocas y al dimetro de perforacin, se pueden delimitar los campos de aplicacin de los diferentes mtodos tal como se refleja en la figura siguiente.

Los equipos rotopercutivos se clasifican en dos grandes grupos, segn donde se encuentre colocado el martillo: Martillo en cabeza: en estas perforadoras dos de las acciones bsicas, rotacin y percusin, se producen fuera del barreno, transmitindose a travs de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforacin. Los martillos pueden ser de accionamiento neumtico o hidrulico. Martillo en fondo: la percusin se realiza directamente sobre la boca de perforacin, mientras que la rotacin se efecta en el exterior del barreno. El accionamiento del pistn se lleva a cabo neumticamente, mientras que la rotacin puede ser neumtica o hidrulica.


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Las ventajas principales, que presenta la perforacin rotopercutiva, son: el ser aplicable a todos los tipos de roca, desde blandas a duras, la gama de dimetros de perforacin es amplia, los equipos son verstiles adaptndose bien a diferentes trabajos y tienen una gran movilidad, necesitan un solo hombre para su manejo y operacin, el mantenimiento es fcil y rpido, y el precio de adquisicin no es elevado. A finales de los aos sesenta y comienzo de los setenta, tuvo lugar un gran avance tecnolgico en la perforacin de rocas con el desarrollo de los martillos hidrulicos. Una perforadora hidrulica consta bsicamente de los mismos elementos constructivos que una neumtica. La diferencia ms importante entre ambos sistemas estriba en que en lugar de utilizar aire comprimido, generado por un compresor accionado por un motor diesel o elctrico, para el gobierno del motor de rotacin y para producir el movimiento alternativo del pistn, un motor acta sobre un grupo de bombas que suministran un caudal de aceite que acciona aquellos componentes. Las razones por las que la perforacin hidrulica supone una mejora tecnolgica sobre la neumtica son las siguientes: menor consumo de energa, menor coste de accesorios de perforacin, mayor capacidad de perforacin, mejores condiciones ambientales, mayor elasticidad de la operacin, y mayor facilidad para la automatizacin. Por el contrario, los inconvenientes que presentan son: mayor inversin inicial y reparaciones ms complejas y costosas que en las perforadoras neumticas. Para los clculos de los rendimientos en perforacin rotopercutiva se puede utilizar la siguiente tabla:

PREVOLADURA La prevoladura consiste en aumentar la fracturacin natural del macizo rocoso, sin prcticamente desplazar la roca, mediante la utilizacin de explosivos, con vistas a que los tractores (aunque actualmente se tiende ms a prevolar para las excavadoras) alcancen unos rendimientos aceptables con unos costes mnimos. Los dimetros de perforacin utilizados dependen de la disponibilidad de esos equipos en la explotacin, pero normalmente con tractores se aconseja que se encuentren en el rango de 50 a 125 mm. La altura de banco est condicionada por la longitud de las varillas de perforacin, pues en dicha operacin se intenta eliminar los tiempos de maniobras realizando los barrenos en una sola pasada, razn por la que dichas alturas oscilan entre los 2 y los 4 m. Los consumos especficos en cada caso dependen de las caractersticas de la maquinaria a usar posteriormente y de las propiedades resistentes de las rocas. Hay tablas en las que se indican algunas relaciones aproximadas entre las velocidades ssmicas mximas y los consumos especficos de explosivo, referidos al ANFO, para llevar a cabo adecuadamente las prevoladuras. Se mueven para la maquinaria de arranque actual en torno a los 200 g/m3 para rocas


7 de 7del entorno de los 1.000 - 1.500 m/s. Entendemos que para velocidades ssmicas superiores no tiene sentido hablar de prevoladura sino de voladura convencional. VOLADURA CONVENCIONAL Se puede afirmar que en la mayora de los proyectos, en los desmontes principales, la tcnica de arranque de roca con explosivos es imprescindible. Antes de ser aplicada, es preciso proceder a la retirada de los suelos de recubrimiento y materiales rocosos fcilmente excavables, para dejar al descubierto la roca ms competente e incluso preparar las vas de acceso para los equipos de perforacin. En general, las excavaciones con perforacin y voladura suelen ser de dos tipos. Si el terreno es sensiblemente horizontal o con desmontes de altura similar a ambos lados de la traza, la excavacin ser en trinchera. Si los terrenos son abruptos, como es ms frecuente, se har a media ladera. Refirindonos a sta ltima situacin, las primeras voladuras deben servir para ir creando las plataformas de trabajo en cada uno de los niveles en que se lleve a cabo el desmonte. Los esquemas de perforacin y longitudes de los barrenos deben adaptarse a las propias irregularidades del terreno, comprobando en todo momento un confinamiento adecuado de las cargas de explosivo y tomando las precauciones necesarias para evitar las proyecciones incontroladas de fragmentos de roca, sobre todo cuando existen carreteras o edificaciones en las proximidades. En una fase ms avanzada es posible estandarizar los esquemas de las voladuras, ya que las configuraciones geomtricas de los tajos permiten disponer de bancos, aunque sean con longitud de frente limitada.

Si existen estructuras en las cercanas a proteger, ser preceptivo llevar a cabo previamente un anlisis vibracional (proyecto tipo, control o estudio segn carga-distancia) de vibraciones y/o de onda area para definir las cargas mximas de explosivo por unidad de microrretardo. Hoy este asunto no suele reportar ningn inconveniente por la existencia de sistemas de iniciacin que permiten secuencias infinitas (incluso secuenciado de cargas dentro de un mismo barreno) como son los detonadores no elctricos Primadet o electrnicos EZ-Tronic. Asimismo, con una inspeccin previa en campo, se debe hacer un inventario de lneas elctricas, estaciones de transformacin, vas electrificadas o emisoras de radiofrecuencia, que crucen o estn prximas a las zonas a volar, llegando incluso a realizar un estudio de corrientes inducidas para ver la conveniencia de utilizar detonadores elctricos de alta insensibilidad Riodet AI u optara por el tipo no elctrico Primadet. Los trmites administrativos para la aprobacin de proyectos de voladura (incluso las calificadas de especiales) exigidos por las autoridades competentes son hoy, para las empresas del sector, rutinarios y bastante rpidos (aproximadamente un mes) y no suponen un sobrecoste cuantificable, salvo en obras puntuales de bajsimos volmenes de excavacin. En los proyectos de obras pblicas los desmontes se caracterizan por las irregularidades del terreno, al menos en el primer nivel de excavacin, y por alturas del banco en muchas ocasiones reducidas. Dicha altura de banco (ver grfica) condiciona la eleccin del dimetro de perforacin ms adecuado, as como la dimensin del la piedra y el espaciamiento en las voladuras. Este hecho influye, a su vez, sobre el nmero de equipos de perforacin que se precisan para el volumen de obra o ritmos de produccin previstos.


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El precio de contratacin de las excavaciones con explosivos en obra pblica, expresado en ptas/m3, debe ir acompaado de una definicin precisa de los volmenes de los desmontes que corresponden a las distintas alturas de banco. Tal como se ha expuesto, esa variable geomtrica condiciona los esquemas de voladura y por consiguiente los costes de arranque. Las ondas de choque juegan un papel importante en la fragmentacin de rocas duras, mientras que en las rocas friables y porosas son los gases de explosin los que generan la mayor parte de las fisuras provocando la rotura de las mismas. Por otro lado, y desde el punto de vista de la eleccin de los explosivos, se ha podido constatar que el rendimiento de la fragmentacin aumenta conforme lo hace la relacin entre la impedancia de la roca y la impedancia del explosivo. Algunos investigadores afirman que las mejores relaciones se encuentran en el intervalo 3/1 a 5/1. Si la impedancia del explosivo es superior a la de la roca, el explosivo trabaja mal. Recurdese que la impedancia de una roca es el producto de la velocidad de propagacin de las ondas longitudinales por la densidad de la roca, mientras que la impedancia del explosivo es el producto de la velocidad de detonacin por su densidad. Como la impedancia de las rocas suele ser por lo general baja, convendra en algunos casos elegir explosivos de baja impedancia para adaptarse a las caractersticas de las rocas. Lilly (1986, 1992) defini el ndice de Volabilidad BI (Blastability Index) obtenido como suma de las calificaciones asignadas a cinco propiedades geomecnicas: BI = 0,5 (RMD + JPS + JPO + SGI + RSI) En la Tabla se indican los factores de ponderacin de cada una de las propiedades consideradas. PARAMETROS GEOMECANICOS 1.- Descripcin del macizo rocoso (RMD) 1.1. Friable / poco consolidado. 1.2. Diaclasado en bloques. 1.3. Poco masivo. 2.- Espaciamiento entre planos de juntas (JPS) 2.1. Pequeo (< 0,1 m) 2.2. Medio (0,1 a 1 m) 2.3. Grande (> 1 m) 3.- Orientacin de los planos de juntas (JPO) 3.1. Horizontal. 3.2. Buzamiento normal al frente. 3.3. Direccin normal al frente. 3.4. Buzamiento coincidente con el frente. 4.- Influencia del peso especfico (SGI) (SG es el peso especfico en t/m3) CALIFICACIN

10 20 50 10 20 50 10 20 30 40 SGI = 25 * SG - 50


9 de 9El empleo del trmino junta engloba todos los planos de discontinuidad que constituyan un punto de debilidad natural del macizo rocoso o inducidos por la prctica minera, por ejemplo por la sobreexcavacin creada por otras voladuras, grietas en superficie provocadas por hundimiento de labores subterrneas, etc. El ratio de influencia de la resistencia RSI se estima a partir de la expresin: Donde RC = resistencia a la compresin (MPa). RSI = 0,05 RC

Los consumos especficos de explosivo CE o los factores de energa FE se calculan con la figura o con las expresiones siguientes:

CE (kg ANFO/t) = 0,004 BI

FE (MJ/t) = 0,015 BI

3.- FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RIPABILIDAD O VOLABILIDAD. Hay factores que parece claro deben ser tenidos en cuenta en la eleccin del mtodo de excavabilidad de un macizo rocoso. Entendemos que ninguno de ellos es determinante al cien por cien, sindolo el conjunto de ellos. Cada obra, cada situacin, es un problema distinto. De ello, se deduce la total cordura de quien afirme: una roca ripable en una obra, puede no serlo en otra, por razones de volmenes, tiempos de ejecucin, viabilidad, etc. Analicemos los factores que hacen esto posible: 3.1- Caractersticas del macizo rocoso. Aduvire y Lpez Jimeno (1992) han presentado un resumen de varios criterios de ripabilidad que se basan en la determinacin previa de algunas caractersticas geomecnicas de la roca a excavar. Sin duda, el ms conocido es el de la velocidad ssmica o celeridad de las ondas de compresin al recorrer el macizo rocoso. La velocidad ssmica de las rocas es una caracterstica de las mismas que las clasifica bastante significativamente en cuanto a su dureza y, se viene utilizando tradicionalmente para clasificarlas en cuanto a su ripabilidad o volabilidad. Aunque, si bien es un parmetro muy significativo, no puede ni debe ser tenido en cuenta aisladamente como decisor nico en este aspecto, si no visto en conjunto con otros factores tambin a considerar. Su significado fsico es la velocidad con que se transmiten las ondas ssmicas a travs del material estudiado. Est relacionado con el comportamiento mecnico de la roca, en concreto con su mdulo de elasticidad. As, cuanto ms dura es una roca, mayor es su mdulo de elasticidad y mayor su velocidad ssmica. La dureza de una roca puede venir dada por su litologa o por su grado de alteracin. Para la medicin de la velocidad ssmica del terreno se emplean fundamentalmente dos mtodos: el mtodo de reflexin se emplea para definir grandes estructuras a distancias kilomtricas; el mtodo de refraccin se emplea para definir estructuras en rangos de distancias de centenares o decenas de metros. El mtodo de refraccin consiste en la medida de la seal ssmica producida por un foco emisor en varios puntos alineados a distancias conocidas. Se mide la diferencia de tiempos de llegada a los distintos puntos y, por consiguiente, la velocidad de propagacin de la onda ssmica. Debido a que la onda viaja a travs del terreno y va profundizando en el mismo (de ah el nombre de ssmica de refraccin), los tiempos entre puntos de medida consecutivos corresponden a las zonas ms superficiales, mientras que los tiempos entre los puntos ms alejados (en concreto, entre el punto ms cercano y el ms lejano al foco emisor), corresponden a las zonas ms profundas. As, empleando el mtodo de refraccin se puede conocer la velocidad ssmica de cada zona de roca y, adems, la profundidad en cada caso y, por consiguiente, la estructura del macizo rocoso.


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Los fabricantes de tractores tienden a decir que los macizos rocosos son ripables hasta un entorno de los 2.000 m/s. Se sabe que este criterio es optimista y no corresponde con la realidad de excavabilidad econmica, especialmente para las rocas compactas de grano grueso y as Chevassu (1976) demostr que para muchas rocas la velocidad ssmica lmite para la ripabilidad fcil era siempre inferior a 1.000 m/s y poda llegar a ser tan baja como 700 m/s en lugar de los 2.400 m/s propuestos por Caterpillar (1983). En funcin del equipo de arranque mecnico disponible, la produccin requerida, consideraciones ambientales, etc. una roca con la misma dureza puede ser ripable o volable, con lo que, segn estas caractersticas, se puede elegir uno u otro tipo de equipo. En general, estimamos ms acertado decir que el empleo de explosivos es sinnimo de mayores capacidades de produccin tanto para rocas ripables como volables y, a partir de 1.000 m/s, la roca slo sera volable, atendiendo a criterios globales de productividad. Un segundo criterio general (Franklin, 1974) muy citado, clasifica las excavaciones segn el mtodo adecuado en funcin del ndice de comprensin puntual y el espaciamiento de fracturas. Se recoge en la figura siguiente:


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Sin embargo, Abdullatif y Crudden (1983) demostraron que no era del todo realista. Para incorporar como datos bsicos la resistencia a comprensin simple y el espaciamiento entre fracturas se incluye la primera figura que expresa el criterio de Franklin (modificado y simplificado por Romana) Los citados Abdellatif y Crudden (1983) estudiaron los mtodos de excavacin (excavacin con excavadora, tractor, o voladura) en 23 obras civiles en las que se dispona de datos para aplicar las clasificaciones geomecnicas de Bieniawski y Barton. Resumieron sus resultados en la segunda figura

Recogemos a continuacin el criterio de ripabilidad segn Weaver, mencionado con frecuencia en los proyectos de obra civil y criticado por empresas excavadoras por no contemplar ciertos factores a considerar:


12 de 12Podemos indicar varios investigadores como Kirsten (1982), Scoble y Muftouglu (1984), Hadjigeorgiou y Scoble (1988) y Singh (1989) que defienden unos criterios de caracterizacin que coinciden, al igual que estos ltimos sealados, en considerar no slo parmetros tales como tenacidad, densidad, abrasividad o dureza de las rocas, sino tambin la disposicin de la estratificacin, tamao y forma de las bloques, diaclasado, familias de juntas, relleno de las mismas, buzamientos, etc. Todos estos criterios pueden parecer atractivos por su simplicidad, pero para conseguirla se ha tenido que prescindir de otros factores que entendemos importantes. 3.2.- Caractersticas de la obra o explotacin Hemos considerado a tener en cuenta las siguientes: 3.2.1.- Geometra de la excavacin Desmontes profundos o diferencias de cota elevadas entre terreno y rasante de obras favorecen claramente el diseo de esquemas de voladura tipo, repetitivos y rentables. Los lmites para la voladura convencional podramos situarlos entre los 20 m (por encima de los cuales deberamos volar en varias bancadas) y 1,5 m (por debajo de los cuales podramos recurrir a esquemas muy cerrados con pequeos dimetros de perforacin). Superficies o reas de excavacin amplias nos permitirn volar con mejores rentabilidades que en las reducidas, por disponer las voladuras de mejor salida. Las excavaciones mecnicas en reas reducidas desestimarn el uso de tractores por su difcil maniobrabilidad en rgimen de ripado en sitios pequeos. Acabados exigentes de los taludes finales, en funcin de su rea, nos determinarn la necesidad o no de realizacin de voladuras de contorno (precorte o recorte) o el uso de otros medios mecnicos alternativos (retros, martillos) limitados a su vez por el alcance del brazo y los riesgos de desprendimientos. 3.2.2.- Produccin Considerar en primer lugar los volmenes totales de obra. Luego los parciales de cada desmonte (para estudiar el coste de traslado de equipos). Hay que ver el plan de obra para cada tramo, solapes en que se puedan precisar ms o menos equipos. El factor tiempo condiciona habitualmente a doble relevo, y ello significa tiempo pleno de ocupacin de equipos disminuyendo los costes indirectos y aumentando su rentabilidad. Se puede perforar de noche y por tanto estudiar la posibilidad de dimensionar la voladura diaria para alimentar las cargadoras de los dos relevos. Hay que estimar la necesidad de obtener una granulometra determinada (es exigible con frecuencia el uso de la roca excavada para pedraplenes y se exige un tamao mximo de de la tongada que vienen a ser 65 cm). Los medios mecnicos sacan en general grandes bloques (escollera). Las voladuras, sobre todo en macizos de dureza, media son la nica posibilidad de obtener una granulometra inferior a 85 cm (necesaria para la alimentacin en muchos casos de machacadoras mviles con 1 m de boca destinadas a la produccin de zahorras o suelo cemento). 3.2.3.- Consideraciones medioambientales Indicamos las ms importantes. Actualmente normativas especficas y modernos mtodos de anlisis nos permiten hacer anlisis cualitativos y cuantitativos de estas consideraciones Vibraciones Ruido


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Proyecciones

Es totalmente errneo pensar que las consideraciones medioambientales son una razn para defender el arranque mecnico, dado que se ha comprobado, en lo relativo a los tres primeros conceptos (vibraciones, ruido y polvo) que los valores producidos por el arranque mecnico pueden ser bastante mayor que en el caso de las voladuras, y sobre todo ms molestos por que se prolongan en el tiempo. Hoy hay tablas, estudios y programas informticos que como en las figuras permiten considerar con buena fiabilidad las posibilidades de cada mtodo de excavacin. Respecto al tema de las proyecciones producidas por voladuras, en las obras en las que hay que asegurar que stas no se produzcan, deberemos llevar a cabo un perfecto diseo de las mismas, replanteo y ejecucin de los tiros, control absoluto de la piedra real, carga y retacado de stos, as como esquemas de encendido ptimos, debiendo llegar en algunos casos a la colocacin de protecciones adecuadas que nos aseguren su inexistencia.

5.- DEFINICIN RACIONAL DE RIPABILIDAD (R) Y VOLABILIDAD (V) Debe ser la preocupacin fundamental durante la primera fase del estudio e investigacin para la caracterizacin de las zonas a excavar. Nuestra propuesta no es un criterio concreto (que seguro seguira siendo inadecuado) sino una reflexin sobre el mtodo de calificacin, que segn nuestra propuesta consiste en aplicar sucesivamente las siguientes etapas:


14 de 14a) Determinacin de datos de campo Cuantos ms datos cuantifiquemos de campo (obtenidos con una malla de muestreo adecuada y sobre todo significativa) no cabe duda que ms conocimientos tendremos del macizo rocoso: carga puntual, resistencia a la compresin, velocidad ssmica, densidad, ndices de juntas, relleno, cohesin, orientacin, etc. b) Aplicacin de los criterios clsicos Los hemos recogido en un apartado anterior (Weaver u otros). stos slo nos servirn en el sentido de desestimar la posibilidad del arranque mecnico en el supuesto de que los mismos superen los umbrales establecidos para la ripabilidad. Clasificacin V. En el caso de que estos criterios nos indiquen la posibilidad de arranque mecnico, seamos crticos, todava estamos en situacin X (an no puedo decir clasificacin R). Hay que seguir evaluando otros factores. Una calificacin prematura y desafortunada puede conducir a resultados desastrosos durante la ejecucin de los trabajos. c) Clculo de costes de la perforacin y voladura Los datos de campo nos permitirn el clculo numrico del ndice de volabilidad (BI) y ste, al determinarnos el consumo especfico CE, nos lleva al clculo de los esquemas de perforacin (hoy existen programas informticos como el DISVOL que lo realizan con agilidad). As, obtendremos la perforacin especfica, y de acuerdo con la abrasividad de la roca, su coste. Seleccionando el explosivo ms adecuado (en funcin de la impedancia de la roca) as como el sistema de iniciacin idneo segn circunstancias. Finalmente obtendremos un dato fundamental (coste por m3 de perforacin mas voladura). Como ya hemos explicado, el precio calculado debe ser mayor para bancos bajos. d) Estudio de la geometra de la excavacin Desmontes bajos o con diferencias de cota elevadas, superficies amplias o reducidas de excavacin (un tractor de nueva generacin no cabe en todas las obras), necesidad de taludes estables y bien definidos, etc. deben ser evaluados econmica y prcticamente por que pueden ser definitorios del modo de operacin. Esto nos llevar la situacin X a una V definitiva o a una X1 (posible R) que hay que seguir estudiando. e) Evaluacin de las necesidades de produccin Los volmenes a excavar, el tiempo que disponemos para hacerlo, cuantificarn con criterios razonables el coste de produccin del m3. Si se deben arrancar muchos o pocos, o se tienen que arrancar muchos en poco tiempo. Estimar las mejoras en la productividad con una prevoladura. Tambin se debe pensar en el incremento de los rendimientos en carga y transporte de optar si se efectuara voladura convencional o incluso si se aumentara el consumo especfico de explosivo. Otro condicionante pudiera ser la necesidad de disponer de granulometras adecuados para efectuar pedraplenes, obtencin de escolleras, etc. Cada etapa nos llevar a una situacin Xi que habr que seguir analizando f) Anlisis medioambiental y de seguridad Hay que tener en cuenta que las limitaciones impuestas hasta hace unos aos por motivos de vibraciones, ruidos, polvo o proyecciones son perfectamente controlables y minimizables. Especialmente en voladuras, donde hoy se pueden conseguir valores insignificantes gracias a las nuevas tcnicas de anlisis, explosivos de reciente desarrollo, y los mejores sistemas de iniciacin disponibles en el mercado. Cerca de lugares habitados la existencia de quejas suele estar motivada al uso de la maquinaria (perforadoras, tractores y sobre todo martillos rompedores) ms que por la voladura, sobre todo por que sta dura slo un segundo. La connotacin de peligrosidad atribuida histricamente al uso de explosivos, no debe ser hoy considerada como tal, debido a los estrictos controles de fabricacin por los distribuidores de estos materiales que aseguran su calidad duradera e insensibilidad en muchos casos incluso a efectos subsnicos (choque, roce y aumento de la temperatura), corrientes errticas e inducidas, etc.


15 de 15Los permisos legales para habilitacin del personal necesario para las labores de excavacin, pasan por un examen por parte de la autoridad competente, que viene a significar un trmite muy similar para la obtencin de los certificados de aptitud para manejo de excavadoras mecnicas y de explosivos para voladura. En cuanto al nmero de personas necesarias, si bien era ms elevado en el caso de la perforacin y voladura que con arranque mecnico, los artilleros son ms baratos que los operarios de mquinas y ms fciles de encontrar. Hoy en da, el nmero de personas presentes en la voladura y sobre todo sus rendimientos tambin se han optimizado de forma considerables con el empleo de la carga mecanizada de explosivos desde camiones cargadores, con ritmos de varias toneladas de explosivo cargado por persona y jornada. g) Estimacin de costes globales En funcin de las posibles mquinas, sus costes de amortizacin, y sus rendimientos (estimados para la roca reconocida) calculamos el dato comparativo. Slo el anlisis consecutivo de estas etapas a + b + c + d + e + f + g nos permitir definir realmente si el terreno es volable o ripable (es decir si es V definitivamente, o las situaciones Xi que venamos estudiando en las etapas de este mtodo merecen la calificacin R). Incluso se podr optar por la aplicacin de sistemas mixtos prevoladura + ripado (actualmente los costes empujan a utilizar prevoladura + excavadora) que nos podrn proporcionar soluciones ptimas en algunos casos. La aplicacin racional de este mtodo definira no slo la situacin V R, adems permitira figurar (ya en proyecto) un valor justo para el precio de m3 de excavacin, sin ser tan generalistas como hasta ahora se viene siendo en esta fase. Parece que genricamente existe un precio R y un precio V (aproximadamente el segundo el doble que el primero) sin atender a ninguna consideracin de las indicadas anteriormente. Casi nunca se hace distincin entre tierras o roca marginal (todo se considera precio R), esto obliga a los contratistas (muchas veces por coger la obra, unilateralmente y cobrando los m3 a precio R) a la ejecucin de voladuras para rentabilizar los rendimientos, fundamentalmente de sus excavadoras.

6.- CONCLUSIONES En un nivel muy coloquial concluimos con unas mximas que pretenden recoger el fundamento de la reflexin a la que con esta ponencia se quiere invitar a los responsables de la caracterizacin de los macizos en el proyecto, as como a las direcciones de obra o explotacin, y a las contratas ejecutoras. Los criterios numricos son fros Se recurre a ellos con frecuencia por su comodidad, pero la realidad demuestra en algunos casos su inexactitud. Obras reales en cuyo proyecto se recoge 60% de excavacin sin voladura, se finalizan con un balance del 80% arrancado mediante explosivos. Es preciso un ANLISIS CUALITATIVO (ms que cuantitativo) tanto del macizo rocoso a excavar, como de los factores explicados que influyen en este trabajo: produccin, geometra, impacto ambiental y costes globales. El impacto ambiental es minimizable Nadie duda que el uso de explosivos es la nica alternativa rentable para ciertas rocas que superan el umbral de ripabilidad mecnica. Igualmente la experiencia nos demuestra que es la mejor opcin en los macizos definidos en proyecto como marginales e incluso en muchos casos hasta en los calificados de ripables. La voladura tiene esa imagen de actividad peligrosa que genera riesgos en los operarios y en el entorno de su realizacin. Hoy, con las tcnicas de anlisis de las voladuras existentes (LMV-Laboratorios Mviles de Voladuras), as como la gama completa de explosivos y sobre todo de sistemas de iniciacin existentes en el mercado, tenemos con la perforacin y voladura una herramienta segura para las excavaciones y que nos va producir un impacto mnimo sobre el entorno y sobre todo absolutamente controlable. Tenemos lo que tenemos Las excavaciones nos las proponen o asignan, no las escogemos. Su geometra nos viene condicionada. Disponemos de equipos para afrontar la obra siempre limitados. Tenemos que estudiar muy bien nuevas inversiones en maquinaria. En ocasiones, faltos de recursos humanos, tendremos que contratar o formar operadores de mquinas o artilleros, siendo bastante ms fcil y barato con los segundos que con los primeros. Producimos m3. Lo ms baratos que podamos No lo olvidemos. Nuestros objetivos deben estar dirigidos a excavar el mayor volumen posible de stos, pero con el mnimo coste global. Esa es la perspectiva con la que hay que afrontar el anlisis del macizo para su excavacin. Despus, determinar el mejor mtodo.


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REFERENCIAS

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Ripabilidad versus volabilidad UEE Col. ITM Asturias

Curso arranque rocas con explosivos Oviedo, Enero 2005

carlos marti puebla - texto ripabilidad-b

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