control de vibraciones inducidas por voladura en campo lejano

Davey Bickford – Confidential – Copyright 2013

C O N T R O L D E V I B R A C I O N E S I N D U C I D A S P O R V O L A D U R A E N C A M P O L E J A N O

S e r v i c i o s Té c n i c o s d e I n g e n i e r í a D a v e y B i c k f o r d

S i p e r v o r X I IS i m p o s i o I n t e r n a c i o n a l d e P e r f o r a c i o n y V o l a d u r a d e R o c a s

N o v i e m b r e , 2 0 1 3L i m a , P e r u

Davey Bickford –Copyright 2013 2

Balanceando Fuerzas Encontradas

Davey Bickford – Copyright 2013 3

Transferenc ia de energ ia

Es un hecho de la causa que no toda la energía de la voladura se consume en forma productiva, fragmentando y desplazando la pila de roca

Una fracción de esta energía escapa de la zona inmediata alrededor de la voladura y la mina/cantera

La transferencia de esta energía se traduce en ondas que se propagan, a través de varios cientos de metros (si no más lejos) y afecta a las comunas, instalaciones e infraestructuras aledañas

Energía de vibración en el suelo

Energía de vibración en el aire

Es necesario lograr controlar el traspaso de la energía al macizo rocoso para poder mantener un equilibrio entre el desempeño de la operación y el buen comportamiento cívico de la empresa


Transferenc ia de energ ia


Opciones de Contro l

Mediante parámetros de diseño

Perforación• Malla• Diámetro

Explosivo• Forma de cargar (distribución espacial)• Retención (taco)

Tiempo• Secuencia• Tecnología

Davey Bickford – Copyright 2013

VIBRACIÓN EN CAMPO LEJANO


Vibrac ión terrestres

No se consume toda la energía de la voladura en el campo cercano, fragmentando y desplazando

Inevitablemente una fracción se propaga más allá de los límites de la mina/cantera

La intensidad de la vibración puede dañar estructuras y molestar los vecinos

Si los vecinos son abogados; la vida se pone muy interesante, muy rápidamente

Pero hay medidas de control …


Vibrac ión terrestres

Controlar vibración significa controlar la transmisión de energía al punto de interés

Vivienda Oficinas Iglesias u otras estructuras históricas

Controlar la cantidad de energía liberada por unidad de tiempo

Controlar la cantidad de energía• Diámetro, largo, tipo de carga explosiva

Controlar el tiempo• Retardos, tiempos, tecnología

Cada medida de control exige más y mayor gasto o sacrificio de tiempo – predicción de eficacia de las medidas es de primordial importancia


Normas de V ibrac ión

Hoy en día la vía para controlar el impacto de las vibraciones en el campo lejano pasa por la medición y el modelamiento – predicción y remediación a priori

Teniendo una clara descripción (cuantitativa) de la voladura y su impacto – se puede construir modelos para simular expectativas según características del diseño

Para ocupar el proceso de modelamiento y predicción de niveles y características de vibración, es necesario contar con límites claros y explícitos con los cuales la voladura debe cumplir

Existe una variedad de Normas Internacionales que intentan describir el contexto de límites cuantitativos con los cuales las operaciones mineras, canteras y hasta proyectos de construcción involucrando la voladura, deben cumplir cabalmente


Normas de V ibrac ión

Norma Española UNE 22-381-93

Norma Sueca – Swedish Standard – SS 460 48 66

Norma Alemana DIN 4450

USBM Recommendation RI 8057

Australian Standard AS 2187.2-1983

SPCC – Environmental Noise Control Manual

Davey Bickford – Confidential – Copyright 2013 11

Vibrac ión – Normas - Española

TIPO FRECUENCIAS PRINCIPALESDE ( 2 - 15) ( 15 - 75) ( > 75)

ESTRUCTURA VELOCIDAD (MM/S) DESPLAZAMIENTO (MM) VELOCIDAD (MM/S)I 20 0.212 100II 9 0.095 45III 4 0.042 20


Vibrac ión – Normas - Sueca

PPVlim = Vo x Fk x Fd x Ft

Donde;

Vo = velocidad característica

= Vp/65

Fk = factor de calidad de construcción

= función de tipo de estructura y materiales

Fd = factor de distancia (incluyendo tipo de suelo)

Fk = factor relacionado con tiempo de permanencia

del proyecto; proyectos cortos – niveles mayores


Vibrac ión – Normas – DIN 4450

Límite absoluto de 8mm/s para estructuras más expuestos


Vibrac ión – Normas – USBM RI8507

RI 8507 Frequency Plot

0.1

1

10

100

1 10 100

Frequency (Hz)

PP

V (

mm

/s)


Vibrac ión – Normas – AS 2187.2-1983

Tipo de EstructuraPPV

mm/s

Edificios históricos y monumentos de alto valor o significado 2.0

Casas y edificios residenciales 10.0

Edificios comerciales e industriales o estructuras construidas de concreto reforzado o acero 25.0


Vibrac ión – Normas – SPCC* (1985)

* SPCC = Comisión Estatal de Control de Contaminación

Tiempo de Voladura Sobre-presión (dB)

PPV (mm/s)

Lunes – Sábado

06:00 – 09:00 105 2.0

Lunes – Sábado

09:00 – 15:00 115 5.0

Lunes – Sábado

15:00 – 20:00 105 2.0

Domingo y Feriados

06:00 – 20:00 95 1.0

Todos los días 20:00 – 06:00 95 1.0


Comparando Va lores

Percepción varía según edad, salud, hora del día, etc.

Actividad PPVmm/s

Pasos, caminando 0.8

Saltando 7.1

“Portazo” 12.7

Martillando clavos 22.4

Activades ambientales (tráfico, etc.) 30 - 76

Voladuras 1 - 12


Modelamiento de V ibrac ión

Hoy en día la vía para controlar el impacto de vibración en el campo lejano pasa por medición y modelamiento – predicción y remediación

Teniendo una clara descripción (cuantitativa) de la voladura y su impacto – se puede construir modelos para simular expectativas según características del diseño

Así se puede evaluar los méritos de estrategias alternativas para aminorar el problema

Y mantener en operación nuestra operación y fuente de empleo


Vibrac ión en e l Campo Le jano

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

Time (sec)

No

rma

lise

d A

mp

litu

de

Mina Perdida



Registros de vibración, “onda elemental”, describen la respuesta del macizo rocoso a una carga solitaria y definida

La combinación de una serie de estas ondas elementales provee una estimación confiable del resultado final

Experimentos han mostrado un alto grado de reproducibilidad en las características de la onda elemental – la “huella digital” vibracional de la carga

Y mantener en operación nuestra faena y fuente de empleo



-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

0 500 1000 1500 2000

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

Time (sec)

No

rma

lis

ed

Am

plitu

de

Mina Perdida

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

Time (sec)

No

rma

lis

ed

Am

plitu

de

Mina Perdida

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

Time (sec)

No

rma

lis

ed

Am

plitu

de

Mina Perdida

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

Time (sec)

No

rma

lis

ed

Am

plitu

de

Mina Perdida

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

Time (sec)

No

rma

lis

ed

Am

plitu

de

Mina Perdida

Partiendo de una base de señales de vibración generadas por cargas solitarias e identificables (distancia, cantidad de carga, geometría)

La superposición de la tren de ondas “semillas” se realiza en base de tiempos de iniciación y geometría relativa entre voladura y punto de interés (medición y simulación)De esta manera se puede simular

un rango muy amplio de geometrías, distancias, y formas de volar – tanto en el campo cercano como en el campo lejano


Reproduc ib i l idad de Ondas E lementa les

Una serie de mediciones en el mismo punto

Con la misma instrumentación

Cuantificando la vibración producida por cargas casi idénticas

A la misma distancia

Alto grado de confianza



La onda elemental representa la mínima intensidad de vibración esperable, producto de

Tipo y cantidad de explosivo Diámetro de barreno Largo de barreno Distancia al punto de medición Características del macizo rocoso (atenuación, VP)

La combinación sumatoria de las ondas elementales aumentará el nivel de vibración según

Cantidad de barrenos (no. de filas, no. de barrenos por fila) Retardos (tiempos absolutos, calidad de dispersión – pirotécnico vs. electrónico) Geometría de la voladura y dirección hacia el punto de interés Secuencia de salida y dirección de iniciación

Estudiamos un Caso de Estudio para explorar la potencial para controlar la intensidad de vibración en el campo lejano


Caso de Estudio

Cantera “Mina de la Discordia”

Caliza Bancos de 18m Barrenos de 140mm Roca mediana – dura, competente Malla – 5.0m x 4.0m F.C. ~ 225g/t Voladuras de 4 filas Tiempos pirotécnicos – 25ms,42ms,500ms

500 525 550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 800 825 850

892867842817792767742717692667642617592567542

934909884859834809784759734709684659634609584

976951926901876851826801776751726701676651626

►


Caso de Estudio


Carga/Fragmentación

4.5 m stem

11.0m (135 kg)

4.0 m (70 kg) Em 1.15

205 kg Expl.

Muckpile Fragmentation Distribution

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

10 100 1000 10000

Particle Size (mm)

% P

as

sin

g

BlasFrag Prediction


Caso de Estudio


Definir el punto de monitoreo

Distancia, dirección, punto de iniciación

►

+45°

+90°

0°

-45°

-90°


Caso de Estudio

Características generales de la voladura – Caso Base

Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (25ms/42ms/500ms)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

600 1600 2600 3600

Time (ms)

PP

V (

mm

/s)

0

5

1015

20

25

30

3540

45

50

-90 -60 -30 0 30 60 90

Direction (degrees)

Simulations NPS

PPV (mm/s)

27 ± 5 mm/s


0.1

1

10

100

1 10 100

Frequency (Hz)

PP

V (

mm

/s)

Caso de Estudio

0

10

20

30

40

50

60

-90 -60 -30 0 30 60 90

Direction (degrees)

Simulations NPS

PPV (mm/s)

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

600 1600 2600 3600

Time (ms)

PP

V (

mm

/s)

Características generales de la voladura – Variante 1

Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (17ms/100ms/500ms)


0.1

1

10

100

1 10 100

Frequency (Hz)

PP

V (

mm

/s)

25 ± 6 mm/sDavey Bickford – Copyright 2013

Caso de Estudio

-30

-20

-10

0

10

20

30

600 1600 2600 3600

Time (ms)

PP

V (

mm

/s)

0

10

20

30

40

50

60

-90 -60 -30 0 30 60 90

Direction (degrees)

Simulations NPS

PPV (mm/s)


Factor de carga apropiado para lograr fragmentación Una carga por barreno/retardo Iniciación pirotécnica (17ms/100ms/500ms) Invertir dirección de iniciación


0.1

1

10

100

1 10 100

Frequency (Hz)

PP

V (

mm

/s)

25 ± 4 mm/sDavey Bickford – Copyright 2013

Caso de Estudio

Una alternativa válida es la de dividir la carga explosiva en dos “decks”, separados por un taco intermedio

Si bien implica más trabajo (conseguir y cargar el taco, interrumpir el proceso de carguío explosivo) y mayor gasto en accesorios (dos cebos en vez de uno – o cuatro en vez de dos) se puede estudiar la opción

Partiendo con un retardo de 9ms entre decks

1.5 m stem

94 kg expl.

94 kg expl.

4.5m stem

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

Row #1 Row #2 Row #3 Row #4


Caso de Estudio

0

5

10

15

20

25

30

35

-90 -60 -30 0 30 60 90

Direction (degrees)

Simulations NPS

PPV (mm/s)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

600 1600 2600 3600

Time (ms)

PP

V (

mm

/s)


Dos decks por barreno (9ms entre decks) Iniciación pirotécnica (9ms/17ms/100ms/500ms)


0.1

1

10

100

1 10 100

Frequency (Hz)

PP

V (

mm

/s)

18 ± 4 mm/s

Caso de Estudio

Eligiendo distintas combinaciones de retardos en forma aleatoria parece no entregar una respuesta rápida ni muy útil

Se requiere investigar una gama amplia de alternativas; una “búsqueda” de la combinación óptima

Veamos …

Optimize Timing

Min. I-H Delay 9 ms Min. Deck Delay 7 ms

Max. I-H Delay 35 ms Max. Deck Delay 13 ms

Min. I-R Delay 70 ms

Max. I-R Delay 120 ms

Caso de Estudio

0

5

10

15

20

25

30

-90 -60 -30 0 30 60 90

Direction (degrees)

Simulations NPS

PPV (mm/s)

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

600 1600 2600 3600

Time (ms)

PP

V (

mm

/s)


La búsqueda sugiere un cambio de retardos Iniciación pirotécnica (10ms/25ms/100ms/500ms)


0.1

1

10

100

1 10 100

Frequency (Hz)

PP

V (

mm

/s)

16 ± 3 mm/s

Caso de Estudio

Por medio de separar la carga en dos (reduciendo la carga instantánea – kg) se ha logrado reducir la vibración desde 27mm/s a 16mm/s

El costo de realizar este ajuste está en el gasto en accesorios y tiempo necesario para cargar la voladura

Si la reducción en nivel de vibración aún no es suficiente entonces se debe seguir experimentando

¿Opciones?

¿3 Decks?

• Costo en accesorios y (por sobre todo) tiempo y eficiencia puede ser muy alto

¿Iniciación electrónica?

• Veamos….

Caso de Estudio

El algoritmo de búsqueda puede incluir los efectos de la mayor precisión, exactitud y flexibilidad otorgada por sistemas de iniciación electrónica

Punto clave: la flexibilidad de escoger una combinación de tiempos de retardo abre dimensiones de pruebas no disponibles en el mundo pirotécnico

Como resultado de la búsqueda previamente mencionado se sugiere una combinación de 13ms/26ms/118ms (el retardo de 500ms al fondo del barreno no tiene importancia).

Caso de Estudio

0.1

1

10

100

1 10 100

Frequency (Hz)

PP

V (

mm

/s)

RI 8507 Z Curve: 13 / 26 / 118 ms

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 1000 2000 3000 4000 5000

Time (ms)

PP

V (

mm

/s)

Delays: 13 / 26 / 118 ms


Iniciación electrónica (13ms/26ms/118ms) Seguimos con dos decks separados Los resultados son notables

4.4 ± 0.4 mm/s

Benefi c ios de Opti mizar ( reduc i r ) N ive les de V ibrac ion en e l Campo Le jano

Mejorar relaciones con comunas vecinas

Evitar acción social, recursos de protección, etc.

Permitir la explotación de mayores porcentaje de recursos naturales (minimizar “esterilización”)

Cuando los cuerpos mineralizados se extienden hacia los pueblos vecinos y se requiere dejar una zona de “buffer” esterilizada

Facilitar permisos para desarrollar nuevos proyectos

Autoridades gubernamentales pueden revocar permisos si hay dudas respecto a las influencias dañinas entre un proyecto y otro proyecto vecino

Facilitar la coordinación del desarrollo de proyectos adyacentes dentro de la misma propiedad minera

Ej.: La interacción entre la explotación de una operación de superficie y el desarrollo de una nueva mina subterránea, por parte de la misma minera

Davey Bickford – Confidential – Copyright 2013

ONDA EXPANSIVA - AIRBLASTL a v i b r a c i ó n m e n o s e s p e r a d a

Airb last

“Ruido” es la manifestación de la vibración área en contacto con un las partículas de un medio

“Airblast” = Sobrepresión de aire inducida por voladura

Frecuentemente la fuente real de la molestia vecinal

Medible (micrófonos)

“Modelable” y controlable

Medidas: Sistemas de iniciación Secuencia de salida Implementación de taco Filosofía operacional de voladura

Factores Causantes de la Onda Expans iva

Pulso de Presión de la Roca – relacionado con el área de la cara libre (y altura del banco)

Escape de gases por estructuras

Escape de gases por eyección del taco

Uso de cordón detonante

Superficie

En el barreno : disrupción del taco (escape prematuro de gases)

Fuentes de la Onda Expans iva

Medic ión de la Onda Expans iva

La sobre-presión en el aire es mucho más que el sonido audible

Para voladuras la mayoría de la energía se encuentra en la banda de frecuencias debajo de 20Hz (inaudible para seres humanos)

Por ende, no se puede medir con micrófonos convencionales

Se mide en dB (decibeles) lineal

Pa 1020P 6o

Po representa el umbral de audibilidad y es igual a 0 dB

Onda Expans iva – Normas – SPCC* (1985)

* SPCC = Comisión Estatal de Control de Contaminación

Tiempo de Voladura Sobre-presión (dB)

PPV (mm/s)

Lunes – Sábado 09:00 – 15:00 115 5.0

Lunes – Sábado 06:00 – 09:00 105 2.0

Lunes – Sábado 15:00 – 20:00 105 2.0

Domingo y Feriados

06:00 – 20:00 95 1.0

Todos los días 20:00 – 06:00 95 1.0

La Percepc ión Humana

La percepción humana es mucho más sensible que el efecto físico y real sobre estructuras

El elemento de sorpresa y “susto” es muy relevante

La sobre-presión empieza a molestar mucho antes de se puede dañar

Percepción de elementos transientes es más notable que para fuentes constantes (y familiares)

La percepción humana se relaciona con varios temas, incluyendo (sin ser restringido a) intensidad absoluta (PPV), el contenido de frecuencia de la vibración, la duración del evento de voladura y la hora del día

Optimizar tomando en cuenta todos estos aspectos es complejo pero es nuestra misión

Fuentes Coti dianas

Pa 1020P 6o

Airbast es una presión, dimensionalmente equivalente a un esfuerzo

La medición de presión del aire incluye frecuencias no audibles (‹ 20Hz)

Medic ión de la Onda Expans iva

El nivel de dispersión o variabilidad estadística en mediciones de sobre-presión es más alto que para vibraciones

Elementos que escapan del control de la voladura afectan más a la sobre-presión que a la vibración

Eyección de taco Escape de gases por la cara libre Aspectos del medio ambiente (clima)

• Viento• Nubosidad• Humedad

Aún así se puede medir tendencias y modelar

Medic ión de la Onda Expans iva : V iento

Medic ión de la Onda Expans iva : V iento

Richards y Howarth, 2009

Factores de Miti gac ión

Evitar el uso de cordón detonante

En la superficie provoca ruido de alta frecuencia En el barreno causa disrupción del taco y promueve escape prematura de gases

Usar taco adecuado

Orientación de la cara libre (dentro de lo posible)

Seleccionar punto y dirección de iniciación (dentro de lo posible)

Considerar la altura del banco – o longitud de la carga

Control sobre distancia entre primera fila y la cara libre (considerar medición de perfiles de cara libre)

Modelando para defi nir tendenc ias

Asumiendo un buen nivel de control sobre aspectos de calidad de implementación del diseño

Taco Cara libre Cordón detonante, etc.

Fuente importante de sobre-presión es el efecto de vibración de la cara libre

DB tiene capacidad de modelar tendencias en este fenómeno

Revisamos algunos de estos aspectos

Modelando para defi nir tendenc ias : Retardos entre pozos

Diámetro de Barreno = 115mm, ANFO, 100kg, Longitud de carga = 12m

Efecto de Retardos

60

70

80

90

100

110

120

130

9 17 25 42 65

Retardo (ms)

So

bre

-Pre

sió

n (

dB

)

Efecto de Retardos

Modelando para defi nir tendenc ias : D i recc ión de In ic iac ión

Diámetro de Barreno = 115mm, ANFO, 100kg, Longitud de carga = 12m

Dirección de Iniciación

60

70

80

90

100

110

120

130

Sur a Norte Norte a Sur Centro

Dirección de Iniciación

Conc lus iones F ina les

La voladura perfecta no existe

La voladura óptima es un ejercicio de compromiso – balance entre una cantidad grande y variable de “clientes”

Según la ubicación física de la operación y la naturaleza del producto que la compañía comercializa, algunos clientes estarán más presentes que otros; puede ser que algunos ni siquiera se hacen presente

Cuando hay contradicción y conflicto entre los deseos y necesidades de los clientes se hace necesario priorizar entre los más importantes o amenazantes

Tecnología existe para evaluar los resultados de cada diseño y entregar pronósticos de los resultados en términos cuantitativos, pero la elección de la estrategia optimizada depende aún en el juicio profesional de los ingenieros de perforación y voladura

Conc lus iones F ina les

p.55

La superposición de ondas de vibración es el método principal detrás de todas las técnicas de modelamiento de vibración por la vía de onda elemental

La mayoría, tal vez todas las herramientas que ejecutan este tipo de trabajo serán similares en cuanto a esta característica

El resultado final que se consigue depende de los tiempos con los cuales cada pulso de vibración arriba al punto de interés o síntesis de la tren de vibración final

Estos tiempos dependen de los retardos elegidos pero también de la dirección de iniciación, la distancia entre sensor (punto de interés) y cada carga, la Vp del macizo rocoso y también la forma de la secuencia de iniciación (echelon, V1, V2, etc.)

Estas dependencias significan que se puede conseguir una solución por cualquier voladura (incluyendo soluciones de compromiso entre dos o tres puntos de interés simultáneamente) pero se tiene que entender que esta solución solamente tendrá relevancia y validez para la secuencia de iniciación elegida


G R A C I A S …

…

control de vibraciones inducidas por voladura en campo lejano

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