optimización de diseño de perforación y voladura – subterránea

Optimización de Diseño de Perforación y Voladura –

Subterránea

Módulo 1Taller Profesional para Ingenieros de Voladura

Subterránea de Argentina

Universidad Nacional de San Juan, Marzo/Abril

Presenta Austin Powder Internacional

Optimización de un Diseño de Voladura de Producción

• Optimización es un proceso complejo, que se lleva a cabo bajo condiciones físicas variables, para satisfacer una serie de criteria de “éxito” que también son variables

• A veces los cambios en criteria son económicos en naturalez, y impulsados por el mercado

– ej Ridiseñar caserones por cambios en precio de Ag en México

– Influencia de precio en el mercado – ej. Cu, Au

• No existe “la respuesta correcta única” y como tal, se necesita entender el proceso y las necesidades del output

• Consejos deben ser solicitados y conseguidos de la gerencia

• Todo diseño padece de “vulnerabilidades” y se las debemos tomar en cuenta

Optimización de un Diseño de Voladura de Producción

Vulnerabilidades

• Vulnerabilidades en el contexto de la Perforación y Voladura representan cualquier factor asociado con el diseño, el cual puede prevenir que el diseño, al aplicarse, no cumple o logra los objetivos requiridos

• Distribución de energía para lograr objetivos específicos– Fragmentación– Control de daño

• Factibilidad (de perforación)– Selección de perforadora en el contexto de las

dimensiones del desarrollo disponible• Confinamiento• Etc...

Vulnerabilidades

Vulnerabilidades - ejemplo

Piso Irregular Daño a la Visera

Excavación Incompleta

Fragmentación Irregular

Chimenéa y Slot

IncompletoTechos Bajos

Daño al Pilar

Criteria de “Éxito” Pueden Incluir…

• Fragmentación (ley y distribución)

Optimización de procesos aguas abajo

• Maximización de recuperación del mineral

Pero sin perder de vista la parte económica

• Maximización de estabilidad geomecánica

Esterilización del recurso por pérdida de accesoSeguridad

• Minimización de la dilución

Los retornos económicos puede ser sustanciales

Parámetros de Perforación y Voladura Disponible para

Optimización•Fijos•Variables

•Qué optimizamos? •Qué podemos optimizar? •Cómo lo optimizamos?

•Algunos de los factores que influyen el éxito de la Perforación y Voladura están fijos y fuera de nuestro control. Aquellos deben ser:

• Identificados• Tomados en cuenta por la vía de adaptación

•Algunos ejemplos incluyen• Tamaño y forma del cuerpo mineral (adaptar el diseño

minero, ej tajos de vetas angostas)• Campo de esfuerzo insitu (adaptar diseño minero para

compensar, voladura de preacondiciónamiento)• Presencia de agua (adaptar por vías del uso de emulsión

agranel)•Aspectos variables del diseño pueden manipularse para adaptar a parámetros que no se pueden controlar

Parámetros de Diseño Fijos y Variables

•Parámetros y/o Condiciones Fijos (Boundary Conditions)

Forma y tamaño del yacimientoAspectos geomecánicosDistribución de leyCondiciones de esfuerzo insitu y sus efectos

en la perforación y voladuraPresencia de aguaGeometría de la perforadora (una vez

comprada) – tamaño y orientaciónPlaneamiento


Optimización

•Variable (disponible para manejar)

Largo de BarrenoDiámetro de BarrenoBurden y EspacimientoTaco/Separación de CargasSelección de Productros/PrimadoSecuencia de Salida y RetardosTipo de Diagrama de Barrenación (Paralelo v

Abaníco)


Optimización

Largo del Barreno

• Desviación (ligado al diámetro)

• Ancho (dimensiones del cuerpo mineralizado)

• Afecta al intervalo entre sub-niveles, y por ende costos del desarrollo de la mina, viabilidad de proyecto, etc

• Se transforma en un tema de costo de capital

• Por qué perforar barrenos más largos?– Más cobertura vertical desde cada nivel de perforación– Menor cantidad de sub-niveles de perforación ($$$$)– Menor cantidad de desarrollo horizontal– En general – costos reducidos

• No obstante ….– Desviación del barreno significa pérdida de control

sobre la ubicación de la carga explosiva– Barrenos más largos pueden requirir sistemas de

iniciación especial (primado multiple, etc)– Emulsiones gasificadas tendrán un limite máximo de

profundidad - outgassing– Limites superiores para cargue de barrenos

ascendentes (tanto emulsión como ANFO – controlado por diámetro)

Largo del Barreno

Precisión de Perforación

• El propósito de la perforación de barrenos:

– ubicar energía explosiva;

• En ubicaciones deseadas / necesarias, • En cantidades requiridas

– Según las propiedades de los explosivos, la configuración del yacimiento y su condición

• La precisión de la perforación es posiblemente EL aspecto fundamental en el proceso

-0,3-0,2-0,1

00,10,20,30,40,50,6

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3

102 mm barreno descendente

92% de todos barrenos dentro de 6 diámetros del punto planificado


89 mm barreno ascendente


-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8


102 mm rompimiento de barrenos descendentes


-1.2-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.6

-1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


Condiciones de Perforación • La perforación es una actividad que se realiza bajo

condiciones físicas y geométricas reales

• El contexto físico debe ser coherente con el diseño y las características físicas de la perforadora

– Dimensiones de las labores (desarrollo horizontal)– Calidad del desarrollo horizontal (dónde se encuentra

el techo, cómo se encuentran las paredes)– Dónde está el piso?– Cabe la perforadora?– Diseñabamos pensando en la perforadora que

tenemos?

Diámetro de Barreno• El diámetro del barreno tiene efecto sobre varios

aspectos de la eficiencia de la perforación tales como:

– Velocidad de perforación– Desviación de barreno– Costo– Concentración de explosivo y factor de carga

• Diámetros grandes– Costo global reducido (f. de c. constante) debido a la menor

cantidad de mentros Lower overall costs due to lower total linear metres drilled

– Reduced deviation– Fragmentation may tend to the fines end close to the charge

but may also lead to more oversize (if powder factor is maintained)

– Near field vibration level increase

• Diámetros Pequeños

– Por f. de c. el costo de perforación aumenta por tonelada, m3 o caseron

– Tendencia para aumentar la desviación– Mejorías en distribución de energía explosiva– Barrenos ascendentes son más fáciles de cargar

por un largo dado– Es más fácil implementar medidas de control de

vibración y daño

Diámetro de Barreno

Factor de Carga y Distribución de Energía

• La influencia de fragmentación se ve afectada por el diámetro de la carga (taladro)

• No obstante la atenuación de la energía no es lineal

Diámetro de Barreno y Fragmentación

• Se debe recordar o apreciar que un aumento en diámetro de barreno no implica una potencial para aumentar espacimiento y burden, manteniendo el mismo nivel de fragmentación

• Un ejemplo sigue a continuación …


• Consideramos un patrón (malla) de barrenos de diámetro 76mm

– Burden 2.0m, Espacimiento 2.5m

• Cargado con ANFO, r = 0.8, de tal forma que el Factor de Carga es de 0.22 kg/tonelada

• Si escalamos la malla para diámetros de 102mm y 165mm, (manteniendo el F. de C.), se obtiene los siguientes resultados

– 102mm: B = 2.7m, E = 3.3m– 165mm: B = 4.3m, E = 5.5m

• Con estos diseños modelamos distribuciones de fragmentación para los tres escenarios, con los siguientes resultados


Fragmentation Variation with Incerasing Hole Size

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

0 200 400 600 800 1000

Fragment Size (mm)

Cum

. % P

assi

ng G

iven

Siz

e

76mm hole102mm hole165 mm hole

90.0


• Consideramos el caso de barrenos de tres diámetros distintos, cargados con el mismo largo de columna de un explosivo idéntico (ANFO, r = 0.8)

– F = 76mm, 102mm, 165mm

• Se puede simular contornos esperados de vibratión y por ende expansión en el area de influencia de cada carga explosiva

R = 1.9m R = 2.9m R = 5.5m

Diámetro de Barreno y Fragmentación – Análisis

Alternativa

• Comparando aumento en el area cross-seccional con la expansión en area de influencia de vibración, nos entrega resultados interesantes

Asumiendo que la influencia de vibración = 100% del aumento en carga

Aumento actual en influencia de vibración (<100% del aumento en area de barreno)

Diámetro de Barreno y Fragmentación – Análisis

Alternativa

Elementro Crítico del Diseño: Dimensiones de la Malla

• Las dimensiones de la malla (B x E) están dentro de los factores de diseño más crítico y están afectados por:– Tipo de explosivo– Diámetro del barreno– Limitantes de los equipos de perforación (dentro de

los bordes del desarrollo horizontal)• Afectan directamente:

– Factor de carga– Fragmentación– Budget de perforación (viabilidad económico del

caseron)– Daño potencial (aumento en vibración)

Burden de Perforación

• Las características del macizo rocoso afectan la cantidad de roca que se puede esperar fracturar con una carga de explosivo y diámetro dado

• Se debe elegir el burden a volar según la roca que se tiene, para poder fracturar y desplazarla confiablemente

Elementro Crítico del Diseño: Dimensiones de la Malla

Injerencia del Macizo Rocoso en Zonas de

Vibración/Daño/Fragmentación

• La variabilidad en características del macizo rocoso tendrá un impacto profundo en los resultados de la voladura– Densidad– Resistencia (compresión/tracción) / Modulo

• Diseñar voladuras de producción sin tomar estos elementos en cuenta puede ser una práctica peligrosa

• Por ende interacción entre departamentos de P&V y Geología/Geomecánica es altamente recomendable

• Las consecuencias de especificar burden y espacimiento en forma incorrecta pueden ser muy costos en terminos de:

– Fragmentación inadecuada– Remoción incompleta del burden (puentes o

pechugas)– Daño por sobrequiebre– La necesidad de reperforar (aprox. US$40,000 en un

caso particular)– Presencia de peligro durante proceso de

rehabilitación de caserones y puntos de extracción pos-daño

– Pérdida o atraso en producción



Taco• Taco es uno de los variables de diseño de voladura

más frecuentemente sub-estimado en importancia, ayudando en al menos dos maneras– Provee una separación física entre distintas cargas en

el mismo barreno• Control de vibración• Prevenir contacto físico entre carga explosiva y

elementos geológicos identificados– Retener energía explosiva dentro del barreno para

maximizar su efecto productivo• Pre-voladura, mantener explosivo aún sin detonar en

posición hasta que ocurra su detonación• Inmediatamente pos-voladura, reteniendo el

confinamiento de los gases explosivos dentro del barreno por más tiempo, poniendo más energía a trabajar eficazmente

Taco y la Curva P - V

Área bajo de la curva Presión – Volumen hasta 500MPa, implica una menor cantidad de energía disponible debido al escape prematuro de los gases (pérdida de confinamiento)Pr

essu

re

Volumen

500 MPa

Curva P-V y el Caso de Escape Prematuro de Gases

1 2 3 4 5 10

Uso de Medición de VoD para Demostrar Funcionalidad de Taco

-1 0 1 2 3 4 50

5

10

15

20 Columna de AtraqueVoD = 594 m/s

VoD = 4140 m/s

Dis

tanc

ia( m

)

Tiempo (ms)

Traza disminuye a cero dentro de 0.5m

Cargas Separadas

• Control de Daño

• Vibración (campo cercano y lejano)

• Geología

• Consumo de Explosivo

Los Efectos de Separación de Cargas Sobre las Zonas de


Tres Diseños Alternativos para Barreno Descente de 30m de Largo

1 x 26m Carga 2 x 12m Cargas 3 x 7.5m Cargas

Selección del Tipo de Explosivo

• Una selección correcta y apropiada del tipo de explosivo es un factor crítico en la optimización del diseño de voladuras de producción, y depende de:

– Las solicitudes de la voladura (tipo de roca, presencia de agua, necesidad de controlar daño/fragmentación)

– Disponibilidad de alternativas (agranel vs cartuchos o bolsas, sistemas de emulsión agranel, etc)

• Entendimiento de la forma en qué el explosivo interactua con el macizo rocoso es fundamental

Consecuencias de Selección de Explosivo

Selección de Explosivos – Conceptos “Regla de Dedo”

• Ajustando características del explosivo a la condición del macizo rocoso y los objetivos de la voladura– Roca dura, quebradiza – ventajas de emulsión– Roca altamente fracturada, blanda

• ANFO : mayoría del fracturamiento ya realizada, desplazamiento de macizo rocoso

• Emulsión : interacción “destructiva”, gases (y lo que les produce)• ANFO aluminizado : no recomendado

– Agua• Sencillo: emulsión a granel o encartuchado

– Control de Daño (barrenos de producción)• Con agua : Emulsión, (baja densidad), cartuchos desacoplados• Seco : ANFO productos de baja densidad

Selección de Producto para Control de Daño

ANFO

5.6m

sanfold70

5.1m

sanfold50

4.0m

51mm DynoSplit

0.3m

Para lograr la iniciación eficiente de una columa de explosivo, un cebo debe producir una intensidad de presión de detonación EFECTIVA (incluyendo los efectos del grado de desacoplamiento o diferencia en diámetro) la cual iguala o excede la presión de detonación teórica del explosivo al cual se desea detonar

P = K. .VODd2ρ

Selección Optimizada del Cebo

Selección Optimizada del Cebo

Emulsión : 25mm x 200mmPres. Det. (ANFO) = 2756 MPaPres. Det. (Primer) = 2119 MPaAjuste = 76.5%

Emulsión : 32mm x 200mmPres. Det. (ANFO) = 2756 MPaPres. Det. (Primer) = 3471 MPaAjuste = 125.9%

Emulsión

• Asume barreno de102 mm diámetro cargado con ANFO vaciado, r = 0.8 g/cc, VoD = 4200 ms-1, opciones de primado consideradas:

25mm x 200 mm emulsión encartuchada55 mm x 200 mm emulsión encartuchada80 mm x 400 mm emulsión encartuchada150g HDP Booster400g HDP BoosterRINGPRIME

Selección Optimizada del Cebo Ejemplo

Tipo de Cebo

25mmx200mm

80mmx200mm

150g HDP

400g HDP

RINGPRIME

55mmx200mm

Meta Pd Actual Pd Ajuste Runup/O’drive

3528 MPa

3528 MPa

3528 MPa

3528 MPa

3528 MPa

3528 MPa 4516 MPa

6496 MPa

2538 MPa

5424 MPa

2564 MPa

547 MPa

128.0%

184.1%

71.9%

153.7%

72.7%

15.5%

RUNUP

OVERDRIVE

OVERDRIVE

OVERDRIVE

RUNUP

RUNUP


Selección de Retardos

• Fragmentación requirida

• Burden por desplazar y fragmentar

• Sobrequiebre/Confinamiento (Dilución, Estabilidad)

• Propiedades del explosivo

• Control de vibración

• Disponibilidad de retardos (tiempos) (necesidad de “puentear”) y el tamaño total del disparo

• Propiedad del macizo rocoso

Selección de Interválo de Tiempo

T1 Topt

Over Confinement

Under Confinement

Unknown

Sub-Confinamiento

Al momento de detonación de la segunda carga, aquella se encuentra dentro de un macizo rocoso fracturado, suelto (con riesgos de cortes) en la presencia de flujos de gases de alta presión y temperatura, capaces de provocar detonación de cargas por simpatía.

Sobre-Confinamiento

Si no existe tiempo suficiente para lograr el desplazamiento del burden, la segunda fila de cargas percibirá un burden doble (o fracción de esto) el cual no se puede desplazar ni fragmentar, con el resultado de daño / sobrequiebre y posiblemente eyección de cargas.

T1 = tiempo de detonación de la carga inmediatemente anterior a aquella baja consideración

Topt = tiempo óptimo de detonación (tomando en cuenta el macizo rocoso y tipo de explosivo)

• UNA PALABRA DE PRECAUCIÓN

• Si pudieras tener cualquier tiempo de retardo que quisieras – Qué tiempo escogerías? (¿Y por qué?)

• Con la disponibilidad de sistemas de iniciación electrónica, es factible, hoy en día, diseñar, cargar y detonar voladuras muy grandes y de larga duración

• Ingenieros de diseño deben recordarse que otros factores también influyen en determinar el tamaño óptimo de cada voladura, más allá de la sencilla capacidad de coger un numero alto de retardos distintos (ej. Espacio de esponjamiento, Redistribución de esfuerzos)

Selección de Interválo de Tiempo

Mallas de Perforación

• Costos de Desarrollo• Forma del cuerpo mineralizado• Abaníco v Paralelo (trade off)• Barrenos ascendentes vs descendentes

• Facilidad de cargar• Facilidad de perforar• Cuestión de precisión• Perforación específico (metros perforados para

colocar una cantidad definida de carga)• Metodo de minado

Abanícos

• Consideraciones de perforación

• Cargue explosivo

• Largos sin carga/Distribución de energía

• Secuencia de salida de tiempos

• Aspectos de Burden/Espacimiento

Abanícos – Distribución de Energía

• Factor de carga varía a lo largo de cada barreno

• Se puede sufrir de interacción entre barrenos (cargas adyacentes)

• Se puede exceder niveles límites de vibración

• La fragmentación puede sufrir como consecuencia de interacciones entre cargas

Distribución de Energía

Abanícos – Collar sin Carga

• Reducir o segmentar abanícos en unidades de 3, 4, 5 barrenos

• (Ref. Figura Lámina a continuación)

• Barrenos exteriores se cargan al largo mínimo de atraque (20 Ø)

• Se ocupa la dimensión de Espaciamiento de fondo como referencia de cálculo

• Varía largos de carga en función con experiencia y resultados

Diseño de Cargue de Explosivo - Manual

Distribución de Energía II

Diseño de Cargue de Explosivo – Software - Daño

Estructura de Roca

Calidad de Roca

Propiedades explosivos y detalles de cargue

Geometría y diámetro de barrenación

Diseño de Cargue de Explosivo – Software - Fragmentación

Distribución de Energía Abanícos

Vistas en Sección

Vistas en Planta

Distribución de Energía (Abanícos) - Secciones

Distribución de Energía (Abanícos) - Plantas

Filosofía de Optimización (ver WRA.1.0)

• Entender las solicitudes de la roca en el contexto de los resultados deseados

• Entender las capacidades y propiedades del rango de explosivos y accesorios disponible

• Ajustar el primero con el segundo (incluyendo aspectos del diseño – diámetro, burden, primado, etc

• Medir y modelar para confirmar el éxito de la elección

• Mantener contacto con la roca y la mina, y los resultados conseguidos

• Celebrar y recordar su éxito

optimización de diseño de perforación y voladura – subterránea

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