mecÁnica de rotura de las rocas procesos de fragmentaciÓn y teorÍas

MECÁNICA DE ROTURA DE LAS ROCAS

PROCESOS DE FRAGMENTACIÓN

Y TEORÍAS

MECÁNICA DE ROTURA DE LAS ROCAS

PROCESOS DE FRAGMENTACIÓN

Y TEORÍAS

MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS

PROCESO DE FRACTURACIÓN

La fragmentación de rocas por voladura comprende a la acción de un explosivo y a la consecuente respuesta de la masa de roca circundante, involucrando factores de tiempo, energía termodinámica, ondas de presión, mecánica de rocas y otros, en un rápido y complejo mecanismo de interacción.

PROCESO DE DETONACIÓN DE UNA CARGA EXPLOSIVA

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PCJ

ZR

FC

ONDA DE CHOQUEO DE TENSIÓN

ROCA COMPRIMIDAONDA DE

REFLEXIÓN

ONDA DE REFLEXIÓNY GASES EN EXPANSIÓN

ENSANCHAMIENTO DEL TALADRO

(*) CAÍDA DE PRESIÓN INICIAL

EXPLOSIVOSIN REACCIONAR

PCJ: PLANO DE CJZR : ZONA DE REACCIÓNFC : FRENTE DE CHOQUE

ROCA NOALTERADA

ROCA NOALTERADA

DIRECCIÓN DEAVANCE DE LADETONACIÓN

Este mecanismo aún no está plenamente definido, existiendo varias teorías que tratan de explicarlo entre las que mencionamos a:

Teoría de reflexión (ondas de tensión reflejadas en una cara libre).

Teoría de expansión de gases.

Teoría de ruptura flexural (por expansión de gases).


Teoría de torque (torsión) o de cizallamiento. Teoría de craterización. Teoría de energía de los frentes de onda de compresión

y tensión.

Teoría de liberación súbita de cargas. Teoría de nucleación de fracturas en fallas y

discontinuidades.


Una explicación sencilla, comúnmente aceptada, que resume varios de los conceptos considerados en estas teorías, estima que el proceso ocurre en varias etapas o fases que se desarrollan casi simultáneamente en un tiempo extremadamente corto, de pocos milisegundos, durante el cual ocurre la completa detonación de una carga confinada, comprendiendo desde la fragmentación hasta el total desplazamiento del material volado.


Estas etapas son:

1. Detonación del explosivo y generación de la onda de .........choque.

2. Transferencia de la onda de choque a la masa de la roca iniciando su agrietamiento.

3. Generación y expansión de gases a alta presión y temperatura que provocan la fracturación y movimiento de la roca.

4. Desplazamiento de la masa de roca triturada para formar la pila de escombros o detritos.


La rotura de rocas requiere condiciones fundamentales como:1. Confinamiento del explosivo en el taladro.

2. Cara libre.

3. Relación entre diámetro del taladro a distancia óptima a la cara libre (burden).

5. Condiciones geológicas, parámetros del taladro y explosivo para generar el fisuramiento cilíndrico radial y la consecuente rotura flexural.


4. Relación burden-altura de banco y profundidad del taladro.

1. COLUMNA EXPLOSIVA

INICIADORSUFICIENTE

TACOINERTE

CARGAEXPLOSIVACONFINADA

BURDEN

SOBREPERFORACIÓN

CARALIBRE

FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE

TALADRO

LAS ONDAS O

FUERZAS DE

COMPRESIÓN

GENERADAS EN

EL TALADRO

VIAJAN HACIA LA

CARA LIBRE ONDAS

SISMICAS

LAS ONDAS QUE ESCAPAN PRODUCEN CONCUSIÓN Y ONDAS SÍSMICAS


2. PROPAGACIÓN DE LA ONDA DE SHOCK


3. AGRIETAMIENTO POR TENSIÓN

LAS ONDAS SE REFLEJAN EN LA CARA LIBRE Y REGRESAN EN FORMA DE FUERZAS DE TENSIÓN QUE AGRIETAN A LA ROCA.SE NOTA YA LA EXPANSIÓN DE LOS GASES


4. ROTURA DE EXPANSIÓN

ROTURA ADICIONAL POR DESCOSTRE

LOS GASES AALTA PRESIÓN SE EXPANDEN RÁPIDAMENTE PENETRANDO EN LAS GRIETAS DE TENSIÓN INICIANDO LA ROTURA RADIAL Y EL DESPLAZA-MIENTO DELA ROCA


5. EXPANSIÓN MÁXIMA (ROTURA FLEXURAL)

LOS GASES PRESIONAN AL CUERPO DE ROCA ENTRE EL TALADRO Y LA CARA LIBRE, DOBLÁNDOLA Y CREANDO PLANOS DE ROTURA HORIZONTALES ADICIONALES


6. FASE FINAL: FORMACIÓN DE LA PILA DE ESCOMBROS

LOS GASES EN CONTACTO CON EL MEDIO AMBIENTE PIERDEN FUERZA Y EL MATERIAL TRITURADO CAE AL PIE DE LA NUEVA CARA LIBRE

ESQUEMA DE AGRIETAMIENTO RADIAL DE LA ROCA

ESQUEMA DE AGRIETAMIENTO RADIAL DE LA ROCA Y LA INFLUENCIA DE TALADROS

CONTIGUOS

Si las columnas de explosivo son intersectadas longitudinal-mente por fracturas existentes, éstas se abrirán por efecto de la onda de choque y se limitará el desarrollo de las grietas radiales en otras direcciones.

Las fracturas paralelas a los taladros que se encuentran a cierta distancia de estos taladros, evitarán que la formación de grietas se propaguen en la roca.

Grietas radiales

Zona defracturación

radial

Roca pulverizada

Fracturas

Taladro

El agrietamiento

no avanzadebido al

choque conlas fracturas

paralelas

MECANISMOS DE ROTURA(VISTA DE PLANTA)

• FASE I

BURDEN

ESPACIAMIENTO

ONDAS DECHOQUE

CARA LIBRE

TALADROS

ZONA DEAGRIETAMIENTO

RADIAL

ANILLO DEROCA

PULVERIZADA

ONDAS DE CHOQUE

REFLEJADAS

TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO

• FASE II


CARA LIBRE

ONDAS DE

CHOQUEREFLEJADAS

EXTENSIÓN DE LAS GRIETAS RADIALES POR LA EXPANSIÓN DE LOS GASSES

PROYECCIÓN DE ROCA

• FASE III


CARA LIBRE


PROYECCIÓN DE ROCA

• FASE IV

ROTURA DE CRÁTER

MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO SIN CARA LIBRE (CRÁTER)

COLUMNA EXPLOSIVA

TACO INERTE

LÍMITEDE ROTURA

BOOSTER

1. TALADRO DE CRÁTER

ONDAS DE COMPRESIÓN

ONDAS DE COMPRESIÓN QUE SE DISIPAN COMO ONDAS SÍSMICAS

MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO SIN CARA LIBRE (CRÁTER)

2. DETONACIÓNONDAS DE TENSIÓN, SÓLO EN LA

CARA LIBRE SUPERFICIAL

INFLUENCIA DE

TALADROS CONTIGUOS

ZONA DEAGRIETAMIENTO

RADIAL

ANILLO DEROCA

PULVERIZADA

ONDAS DE CHOQUE

REFLEJADAS

TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSOCARA LIBRE

INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS

1. ESPACIAMIENTO ADECUADO

ESPACIAMIENTO

CARA LIBRE


2. ESPACIAMIENTO MUY CORTO (PROYECCIÓN EXCESIVA)

ESPACIAMIENTOSOBREROTURA

TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO

INFLUENCIA ENTRE

TALADROS

ANILLO DEROCA

PULVERIZADA

ANILLO DEROCA

PULVERIZADA

CARA LIBRE


3. ESPACIAMIENTO MUY AMPLIO (LOS TALADROS SE SOPLAN)

ESPACIAMIENTO

INFLUENCIA DEL ORDEN DE SALIDA DE LOS

TALADROS CONTIGUOS

3A

3A

3A 3A

DISEÑO DE MALLAVOLADURA SUBTERRÁNEA

15A15A

9A

9A

9A

9A

9A

9A

13A 13A13A

7A 7A 7A7A

5A5A

5A 5A3R

3R

6A6A

3,0 m

1,5 m

3,5 m

N° Taladros = 40 cargados + 2 de alivio

11A

11A

11A

11A

11A11A

11A

1R 1R

1A

1A

1A

1A

EJEMPLO

25

17 17

25 7676 59 59

75 126126 109 109

17 17 5151 34 34

42 42

92 92

100 151151 134 134117 117

50 101101 84 8467 67

ººº º º ºº

CARA LIBREPUNTO DE INICIACIÓN

DISEÑO DE MALLAVOLADURA DE SUPERFIE

EJEMPLO

101 143 185

42

160 202 21076

177 219 227135

236 244 269194

84 126 168

152

118

1742

CA

RA

LIB

RE

CARA LIBREPUNTO DE INICIACION

59

DISEÑO DE MALLAVOLADURA DE SUPERFIE

EJEMPLO

DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA POTENCIALDE UN EXPLOSIVO EN ACCIÓN

ENERGIA ÚTIL DE TRABAJO ENERGÍA NO UTILIZABLE OPERDIDA

ENERGÍA DE LAONDA DE CHOQUE

ENERGÍA DE LOS GASES DE EXPANSIÓN

EFECTOS SUMADOS DE IMPACTO Y DE PRESIÓN, QUE PRODUCEN EN LA ROCA LA DEFORMACIÓNELÁSTICA Y ROTURA IN SITU (1)

ENERGÍA REMANENTE DE LA EXPANSIÓN DE GASES (2)

PORCENTAJE UTILIZABLE PARA EL DESPLAZAMIENTO DE FRAGMENTOSDENTRO DEL MONTON DE ESCOMBROS(EMPUJE Y APILONADO DE LOS DETRITOS)

TÉRMICA

(CALOR)SÓNICA

(RUIDO)(BLAST)

LUMINOSA

(LUZ)VIBRATORIA

(ONDA SÍSMICA)

PÉRDIDAS AL PONERSE LOS GASES CON ELEVADA PRESIÓN EN CONTACTO CON LA ATMÓSFERA

PÉRDIDA ADICIONAL EN EL IMPULSO DE PROYECCIÓN DE FRAGMENTOS VOLANTES(FLY ROCKS)

EXPLOSIÓN:IMPACTO - EXPANSIÓN

VARIABLES CONTROLABLES

EN LA VOLADURA

PERFORACIÓN

CARGA Y ENCENDIDO

VARIABLES NO CONTROLABLES

EN VOLADURA

GEOLOGÍA

DISPAROTIEMPO PROMEDIO

DEL PROCESO MENOS DE 2 S

RESULTADO DEL DISPARO

VOLADURA PREPARADA

VARIABLES CONTROLABLES EN LA VOLADURA

PERFORACIÓN

• DIÁMETRO DE TALADRO

• LONGITUD DE TALADRO

• DISTRIBUCIÓN DE TALADROS (MALLA DE PERFORACIÓN)

• RADIO ESPACIO/ BURDEN

• ANGULARIDAD Y/O PARALELISMO

• SOBREPERFORACIÓN

• LONGITUD DE TACO

• TIPO DE TACO INERTE

• CARAS LIBRES DISPONIBLES

• TIPO DE CORTE O ARRANQUE

• DIRECCIÓN DE SALIDA DE LOS TIROS

• ALTURA DE BANCO

• PROFUNDIDAD DE AVANCE (EN SUBSUELO)

• CONFIGURACIÓN DEL DISPARO

• DIMENSIÓN DE LA VOLADURA

VARIABLES CONTROLABLES EN LA VOLADURA

CARGA Y ENCENDIDO

• TIPO DE EXPLOSIVO

• PROPIEDADES:* DENSIDAD* VELOCIDAD* SENSIBILIDAD* BRISANCE* SIMPATÍA, ETC.

• ENERGÍA DISPONIBLE

• MÉTODO DE CARGA Y CEBADO

• ACOPLAMIENTO TALADRO/EXPLOSIVO

• LONGITUD DE COLUMNA EXPLOSIVA• DISTRIBUCIÓN DE CARGA (A COLUMNA COMPLETA O CON CARGAS ESPACIADAS)

• FACTOR DE CARGA (kg/m3)

• DISTRIBUCIÓN: * CARGA DE FONDO * CARGA DE COLUMNA

(TIPOS Y DENSIDADES)

• SISTEMA DE INICIACIÓN

• SECUENCIA DE ENCENDIDOS

• PROYECCIÓN DE CARAS LIBRES A FORMAR CON CADA SALIDA

VARIABLES NO CONTROLABLES EN LA VOLADURA

GEOLOGÍA

• RESISTENCIA A LA ROTURA Y PROPIEDADES ELÁSTICAS DE LA ROCA

• FRECUENCIA SÍSMICA

• DISCONTINUIDADES: GRADO DE FISURAMIENTO

* DISYUNCION* CLIVAJE* FALLAS* FISURAS

OQUEDADES, CAVERNAS Y OTRAS.• CONDICIONES DEL TERRENO

• PRESENCIA DE AGUA

• CONDICIONES DEL CLIMA• TIPO DE ROCA

RESULTADO DEL DISPARO

EN RENDIMIENTO

• SALIDA TOTAL O PARCIAL DEL DISPARO• FRAGMENTACIÓN

• DESPLAZAMIENTO Y FORMA DEL CONO DE ESCOMBROS• VOLUMEN DEL MATERIAL ROTO• ESPONJAMIENTO (PARA EL RECOJO Y RETIRO DE DETRITOS)• ROTURA HACIA ATRÁS (BACK BREAK)

• SOBRESCAVACIÓN

• AVANCE DEL FRENTE

• PROYECCIÓN FRONTAL Y LATERAL

• NIVEL DE PISO (LOMOS)

• ANILLADO, CORNISAS, SUBSUELO, ETC.

EN SEGURIDAD

• PROYECCIÓN DE FRAGMENTOS (FLY ROCKS)

• TIROS FALLADOS

• GASES REMANENTES

• TECHOS Y CAJAS GOLPEADAS (POSIBILIDAD DE DESPLOME)

• EXPLOSIVOS Y ACCESORIOS NO DETONADOS

CAUSAS USALES DE FALLAS DE DISPAROS

Condiciones geológicas adversas

Taladros con agua

Taladrosperdidos

Cut - offs: cortes por diversos

motivos:geología y otros

Errores en el orden de encendido de los

retardos

Efecto Canal(Dead Pressing)

Presión de muerte, densidad

Confinamiento insuficiente

Insuficiente disponibilidad

de energía

Mezclaexplosiva

Cebadoinsuficiente

Compatibilidad del cordón

Antigüedadde almacenaje

(edad-shelf life)

Errores de carga del taladro

CAUSAS

Inapropiada selección de tiempos

Dispersiónde retardos

Golpe de agua(Water Hammer)

Mezcla de diferentes tipos o

marcas de detonadores de

retardo

Ejecución del Plan de disparo

Propagación

Errores de perforación

Errores de tiempos

Error con el tipo de iniciador o

incompatibilidad

mecÁnica de rotura de las rocas procesos de fragmentaciÓn y teorÍas

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