PROPIEDADES DEL MACIZO ROCOSO INFLUENCIA EN LA TRONADURA

21/04/2008UNIVERSIDAD DE ATACAMAVICTOR GONZALEZ RAMOS

PROPIEDADES DE LAS ROCAS Y DE LOS MACIZOS ROCOSOS Y

SU INFLUENCIA EN LOS RESULTADOS DE LAS VOLADURAS

INTRODUCCIÓN

Desde la década de los años 50, se han desarrollado diversas teorías para explicar el comportamiento de las rocas bajo los efectos de una explosión, siendo aún hoy uno de los problemas a resolver y definir en la tecnología de aplicación de los explosivos al arranque.

Los materiales que constituyen los macizos rocosos (las rocas) poseen ciertas características físicas que son función de su origen y de los procesos geológicos posteriores que sobre ellos han actuado. El conjunto de estos fenómenos conduce en un determinado entorno, a una litología particular con unas heterogeneidades debidas a los agregados minerales policristalinos y a las discontinuidades de la matriz rocosa (poros y fisuras); y a una estructura geológica en un estado tensional característico, con un gran número de discontinuidades estructurales (planos de estratificación, fracturas, diaclasas, juntas, etc.).

Debido a estas características físicas de las rocas se debe determinar que tipo, que concentración y que consumo especifico de explosivo se debe usar en los diferentes tipos de macizos rocosos. Y a la vez establecer el diámetro adecuado de barreno; y también diseñar el diagrama de disparo apto para dicho macizo.

Es por eso que conocer las propiedades de los materiales que constituyen los macizos rocosos, es de gran importancia a la hora de llevar a cabo un trabajo de tronadura.

PROPIEDADES DE LAS ROCAS

Densidad

Las densidades y resistencias de las rocas presentan normalmente una buena correlación. En general, las rocas de baja densidad se deforman y rompen con facilidad, requiriendo un factor de energía relativamente bajo mientras que las rocas densas precisan una mayor cantidad de energía para lograr una fragmentación satisfactoria, así como un buen desplazamiento y esponjamiento.

En rocas con alta densidad para que el impulso impartido a la roca por la acción de los gases sea el adecuado, deberán tomarse las siguientes medidas:

Aumentar el diámetro de perforación para elevar así la presión de barreno, PB = k VD 2, donde "VD» es la velocidad de detonación del explosivo.

Reducir el esquema y modificar la secuencia de encendido.

Mejorar la efectividad del retacado con el fin de aumentar el tiempo de actuación de los gases y hacer que estos escapen por el frente libre y no por el retacado.

Utilizar explosivos con una alta Energía de Burbuja, "EB”.

Resistencia dinámica de las rocas

Las resistencias estáticas a compresión y a tracción se utilizaron en un principio como parámetros indicativos de la aptitud de la roca a la voladura. Así, se definió el índice de Volabilidad (Hino, 1959) como la relación "RC/RT" de modo que a un mayor valor resultaría más fácil fragmentar el material.

El tratamiento racional de los problemas reales obliga a considerar las resistencias dinámicas, ya que éstas aumentan con el índice de carga (Rinehart, 1958;Persson et al, 1970) pudiendo llegar a alcanzar valores entre 5 y 13 veces superiores a las estáticas.

Cuando la intensidad de la onda de choque supera a la resistencia dinámica a la compresión "RC'" se produce una trituración de la roca circundante a las paredes del barreno por colapso de la estructura intercristalina.

Pero esta trituración contribuye muy poco a la fragmentación y provoca una fuerte disminución de la energía de tensión.

Por ello, se recomienda:

Seleccionar explosivos que desarrollen en las paredes del barreno tensiones inferiores o iguales a «RC'".

Provocar una variación de la curva Presión-Tiempo (P-t), por desacoplamiento de la carga dentro del barreno.

Estos puntos tienen su máxima expresión en el diseño de voladuras perimetrales o de contorno.

El consumo específico de explosivo requerido en la voladuras en banco puede correlacionarse con la resistencia a compresión, tal como se indica en la Tabla 1. (Kutuzov, 1979).

Tabla 1. Clasificación de las rocas según su facilidad a la fragmentación con explosivos en minas a cielo abierto.

Porosidad

Existen dos tipos de porosidad: la intergranular o de formación y la de disolución o post-formación.

La primera, cuya distribución en el macizo puede considerarse uniforme, provoca dos efectos:

Atenuación de la energía de la onda de choque.

Reducción de la resistencia dinámica a la compresión y, consecuentemente, incremento de la trituración y porcentaje de finos.

El trabajo de fragmentación de rocas muy porosas se realiza, casi en su totalidad, por la energía de burbuja, por lo que deberán observarse las siguientes recomendaciones:

Utilizar explosivos con una relación «EB/ET» elevada, como por ejemplo el ANFO.

Incrementar la «EB» a costa de la «ET», mediante el desacoplamiento de las cargas y los sistemas de iniciación.

Retener los gases de voladuras a alta presión con un dimensionamiento adecuado de la longitud y tipo de retacado.

Con varios frentes libres, mantener dimensiones iguales de la piedra en cada barreno.

La porosidad de post-formación es la causada por los huecos y cavidades que resultan de la disolución del material rocoso por las aguas subterráneas (karstificación). Los espacios vacíos son mucho mayores y su distribución es menos uniforme que la dela porosidad intergranular.

También en las rocas de origen volcánico es frecuente encontrar un gran número de oquedades formadas durante su consolidación.

Las cavidades intersectadas por los barrenos no sólo dificultan la perforación con la pérdida de varillaje y atranques, sino incluso la eficiencia de la voladura, especialmente cuando se utilizan explosivos a granel y bombeables. Fig. 1.

Si los barrenos no intersectan a las cavidades, el rendimiento de la voladura también disminuye por:

La prematura terminación de las grietas radiales al ser interrumpidas en su propagación por los huecos existentes.

La rápida caída de la presión de los gases al intercomunicarse el barreno con las cavidades. Y por ello, el frenado de la apertura de grietas radiales al escapar los gases hacia los espacios vacíos.

Figura 1. Ejecución correcta de la carga de un explosivo a granel en un terreno con coqueras.

Fricción interna

Como las rocas no constituyen un medio elástico, parte de la energía de la onda de tensión que se propaga a través de él se convierte en calor por diversos mecanismos. Estos mecanismos son conocidos por«fricción interna» o «capacidad de amortización específica-SOC», que miden la disponibilidad de las rocas para atenuar la onda de tensión generada por la detonación del explosivo. La «SOC» varía considerablemente con el tipo de roca: desde valores de 0,02-0,06para los granitos (Windes, 1950; Blair, 1956) hasta los de 0,07-0,33 para areniscas. La SOC aumenta con la porosidad, la permeabilidad, las juntas y el contenido en agua de la roca. También aumenta considerablemente con los niveles meteorizados en función de su espesor y alteración.

La intensidad de la fracturación debida a la onda de tensión aumenta conforme disminuye la SOC. Así por ejemplo, los explosivos tipo hidrogeles son más efectivos en formaciones duras y cristalinas que en los materiales blandos y descompuestos (Cook, 1961; Lang1966). Por el contrario, en éstos últimos, el ANFO es más adecuado a pesar de su menor energía de tensión.

Conductividad

Las fugas o derivaciones de corriente pueden ocurrir cuando los detonadores se colocan dentro delos barrenos en rocas de cierta conductividad, como por ejemplo los sulfuros complejos, magnetitas, etc., especialmente cuando las rocas son abrasivas y existe agua en el entorno de la pega. Las medidas que deben tomarse para evitar estos problemas son:

Verificar que los cables de los detonadores eléctricos disponen del aislamiento plástico en buen estado y,

que todas las conexiones del circuito están debidamente aisladas y protegidas. Para ello, se recomienda emplear conectadores rápidos.

El fallo de alguno de los detonadores puede afectar considerablemente a los resultados obtenidos en las voladuras.

La composición de la roca y las explosiones secundarias de polvo

Las explosiones secundarias de polvo suelen producirse en minas de carbón y también de sulfuros metálicos, en áreas con alto contenido en pirita, y son cada día más frecuentes por la utilización de barrenos de gran diámetro.

Las primeras cargas que se disparan en una voladura crean por un lado, una alta cantidad de finos que son lanzados a la atmósfera y por otro, remueven con la onda aérea y las vibraciones inducidas el polvo depositado en los hastiales y el piso del hueco de la excavación. Si la energía de los gases de las últimas cargas es suficientemente elevada para la concentración de polvo alcanzada, puede llegar a producir explosiones secundarias de efectos devastadores importantes para las instalaciones de ventilación, puertas de regulación, equipos móviles, etc.

La probabilidad de que se produzcan explosiones secundarias de polvo puede minimizarse tomando algunas de las siguientes medidas:

Suprimir el uso de explosivos aluminizados, ya que las partículas de AI 2O3 a alta temperatura en los productos de detonación son centros potenciales de ignición.

Seleccionar un explosivo y una geometría de los barrenos del cuele que produzcan material relativamente grueso.

Retacar los barrenos con arena del exterior, tacos de arcilla o ampollas de agua.

Crear una nube de polvo de caliza u otro inhibidor por delante del frente haciendo estallar un saco con dicho material mediante un detonador que se dispara unos milisegundos antes que la voladura.

Lavar frecuentemente las paredes y pisos de la excavación para eliminar el polvo depositado.

Disparar las voladuras después de proceder a la evacuación completa del personal de las minas.

PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS

Litología

Las voladuras en zonas donde se produce un cambio litológico brusco, por ejemplo estéril y mineral, y consecuentemente una variación de las propiedades resistentes de las rocas obliga a una reconsideración del diseño, pudiendo seguirse dos caminos:

a) Esquemas iguales para los dos tipos de roca y variación de las cargas unitarias.

b) Esquemas distintos pero con igual carga por barreno. Esta disposición suele adaptarse manteniendo igual la dimensión de la piedra Fig. 2., ya que la introducción de un esquema «S x B" distinto en cada zona entrañaría una mayor complejidad de perforación y un escalonamiento del nuevo frente creado.

Figura 2. Cambio de esquema recomendado B=B', S=S'.

Los yacimientos estratiformes semi horizontales que presentan algún horizonte muy resistente pueden conducir a un tipo de voladuras particular en las que las cargas se alojen en los barrenos perfectamente confinadas a la altura de tales horizontes.

También es aconsejable que la localización de los multiplicadores en las columnas de explosivo coincida con los niveles más duros a fin de aprovechar al máximo la energía de tensión desarrollada.

Cuando se encuentran en contacto dos materiales de características resistentes muy diferentes, como por ejemplo una caliza competente en contacto con arcillas muy plásticas, y si los barrenos atraviesan estas formaciones, tendrá lugar una gran pérdida de energía asociada con la caída de presión y escape de los gases al producirse deformaciones rápidas de dichos materiales blandos y, por consiguiente, se obtendrá una mala fragmentación. Fig.3.1 y Fig.3.2.

Figura 3.1. Caso típico de cambio litológico con contacto entre rocas competentes y materiales plásticos.

Figura 3.2. Caso típico de cambio litológico con contacto entre rocas competentes y materiales plástico.

Para aumentar el rendimiento de las voladuras en estos casos se recomienda:

Retacar con material adecuado aquellas zonas del barreno que estén en contacto con material plástico o próximo a ellas.

Emplear cargas de explosivo totalmente acopladas a la roca competente con una gran velocidad de detonación y una relación de ET/EB alta.

Situar los multiplicadores en el punto medio de la roca dura para incrementar la resultante de la onda de tensión que actúa a ambos lados.

Evitar el escape prematuro de los gases a la atmósfera asegurando que tanto la longitud de retacado(al menos 20 D) Y la dimensión de la piedra son correctas en la parte superior de los barrenos.

Fracturas preexistentes

Todas las rocas en la naturaleza presentan algún tipo de discontinuidad, microfisuras y macrofisuras, que influyen de manera decisiva en las propiedades físicas y mecánicas de las rocas y, consecuentemente, en los resultados de las voladuras.

Las superficies de discontinuidad pueden ser de distintos tipos: planos de estratificación, planos de laminación y foliación primaria, planos de esquistosidad y pizarrosidad, fracturas y juntas.

Las discontinuidades pueden ser cerradas, abiertas o rellenas, y por ello con diferentes grados de transmisión de la energía del explosivo. Tabla 2. Los labios de estas discontinuidades son superficies planas sobre las cuales se reflejan las ondas de choque atenuando y dispersando la energía desarrollada.

Tabla 2.

La fragmentación está influenciada por el espaciamiento entre barrenos “S”, la separación entre juntas “Js” y el tamaño máximo de bloque admisible “M". En la Tabla 3. Se indican varias de las combinaciones posibles y su repercusión sobre el porcentaje de bolos previsibles.

Otro aspecto del diseño de las voladuras es lo que se entiende por control geoestructural del macizo rocoso, que se refiere a la orientación relativa del frente y dirección de salida de la pega con respecto a la dirección y buzamiento de los estratos. En la Tabla 4. Se indican los resultados previsibles para los diferentes casos que pueden presentarse, atendiendo a la inclinación de las discontinuidades y el ángulo relativo de las direcciones citadas.

Tabla 3. Combinaciones de espaciamiento entre barrenos (S), fracturas (Js) y tamaño máximo de bloque admisible (M)

Tabla 4.

Especial cuidado debe prestarse cuando las discontinuidades son subverticales y la dirección de salida es normal a la de éstas, pues es frecuente la sobreexcavación por detrás de la última fila de barrenos y se hace necesaria la perforación inclinada para mantener la dimensión de la piedra en la primera línea de pega, fig. 4. Foto 3.

Figura 4. Voladura con sobreexcavacion.

Foto 3.

Cuando la estratificación o los sistemas de juntas se presentan con un ángulo menor de 30°, se recomienda que los barrenos sean normales a dichos planos con el fin de aumentar el rendimiento de las voladuras.

Si se conoce la disposición en planta de la compartimentación de los macizos, deberá también ser considerada para la colocación de las cargas de explosivo con los espaciamientos apropiados, en vez de mantener una distancia uniforme entre éstas. En efecto, situaciones como la esquematizada en la Fig.5, en la que las fracturas se disponen en familias que forman ángulos suplementarios, dan origen a liberaciones desiguales de la energía de los explosivos, llegando la roca a fragmentarse excesivamente en las zonas con ángulos agudos, y produciendo bloques grandes en las zonas con ángulos obtusos.

Para evitar estos problemas, que influyen muchas veces en la transmisión de importantes vibraciones al terreno, las cargas de explosivo deben ser colocadas preferentemente junto a zonas con ángulos obtusos, y el espaciamiento entre barrenos siendo paralelo a las direcciones de los planos de fractura. Además de estos procedimientos, se recomienda una programación de las secuencias de disparo de las cargas, con el fin de crear la máxima superficie libre después de cada detonación, circunstancia que depende de la geometría de fracturación del macizo. Cuando es posible cambiar el diámetro de los barrenos, se aconseja utilizar los diámetros más pequeños en el interior de zonas más fracturadas, para controlar mejor la fragmentación y los impactos ambientales resultantes.

Otras alternativas para implementar el control geoestructural consisten en dotar a las voladuras de líneas de barrenos de precorte, los cuales reducen la probabilidad de sobrefracturación del macizo remanente, aunque pueden ocasionar vibraciones excesivas.

Figura 5. Influencia de los sistemas de fracturas no ortogonales de un macizo rocoso en los resultados de la fragmentación. (Proyección horizontal)

En los trabajos de excavación de túneles las características estructurales condicionan en gran medida la geometría del perfil de los mismos, casi rectangular si las rocas son masivas y con arco de coronación si las rocas son más inestables. Cuando las discontinuidades son normales al eje de los túneles, las voladuras suelen realizarse con buenos resultados, Fig.6. a. Si la estratificación o las discontinuidades son paralelas al eje de los túneles, Fig.6. b, con frecuencia los avances no son demasiado buenos y los frentes son desiguales.

Cuando la estratificación presenta una dirección oblicua con respecto al eje de los túneles existirá un lado sobre el que resultará más fácil volar, en el caso de la Fig.6. c en el lado izquierdo.

Por otro lado, las rocas muy laminadas con alta esquistosidad y fisuración responden bien a los cueles en V, y en túneles de gran diámetro se consiguen grandes avances, de hasta 6 m, con ese tipo de cueles.

Cuando se utilizan los cueles en V en pozos de sección rectangular, los mejores resultados se obtienen cuando las discontinuidades son paralelas a las aristas de los diedros de los planos que conforman las cuñas del cuele. Fig.7.

Las tendencias son, por tanto, utilizar esquemas de voladuras versátiles, que se adapten a las discontinuidades de los macizos, exigiéndose así un conocimiento previo de éstas.

Figura 6. Direcciones relativas de

los estratos con respecto al eje de

los túneles.

Figura 7. Pozo rectangular con cuele en V.

Tensiones de campo

Cuando actúan las tensiones de campo residuales, tectónicas y/o gravitacionales (no hidrostáticas), el esquema de fracturas generado alrededor de los barrenos puede estar influenciado por la concentración no uniforme de tensiones alrededor del mismo.

En las rocas masivas homogéneas, las grietas que empiezan a propagarse radialmente desde los barrenos tienden a seguir la dirección de las tensiones principales.

Así por ejemplo, en el avance de galerías en macizos rocosos con una alta concentración de tensiones residuales, como en el caso de la Fig. 8, la secuencia de disparo en los barrenos del cuele deberá adecuarse a las mismas.

Si en los planos de precorte de las excavaciones proyectadas actúan tensiones normales al mismo, los resultados obtenidos no serán satisfactorios, a menos que el espaciamiento entre barrenos se reduzca considerablemente o se realice previamente una excavación piloto próxima que sirva para la relajación del macizo liberando dichas tensiones y se sustituya el precorte por una voladura de recorte.

Figura 8. Secuencia de iniciación en un cuele con barreno central de diámetro y tensiones residuales horizontales (a) secuencia incorrecta (b) secuencia correcta.

Presencia de agua

Las rocas porosas y los macizos intensamente fracturados cuando se encuentran saturados de agua presentan habitualmente ciertos problemas:

Obligan a seleccionar explosivos no alterables por el agua.

Producen la pérdida de barrenos por hundimientos internos, y

Dificultan la perforación inclinada.

Por otro lado, el agua afecta a las rocas y a los macizos rocosos en los siguientes aspectos:

Aumenta la velocidad de propagación de las ondas elásticas en terrenos porosos y agrietados.

Reduce la resistencia de las rocas a compresión ya tracción (Obert y Duvall, 1967) al ser menor la fricción entre partículas.

Reduce la atenuación de las ondas de choque y, por ello, se intensifican los efectos de rotura por la "ET» (Ash, 1968).

Las juntas llenas de agua permiten el paso de las ondas de choque sin que se produzca un descostramiento interno. Pero cuando el macizo entra en tensión, esa agua se moviliza ejerciendo una acción de cuña que puede llegar a producir una gran sobreexcavación.

Temperatura del macizo rocoso

Los yacimientos que contienen piritas suelen presentar problemas de altas temperaturas de la roca por efecto de la oxidación lenta de este mineral, haciendo que los agentes explosivos del tipo ANFO reaccionen exotérmicamente con la pirita excitándose a partir de una temperatura de 120°C ± 10°C.

Las últimas investigaciones apuntan a una primera reacción entre el ANFO y el sulfato ferroso hidratado, y más especialmente entre éste último y el nitrato amónico, iniciándose una reacción exotérmica que se automantiene a partir de los 80°C. Este sulfato ferroso es uno de los productos de descomposición de las piritas, además del sulfato férrico y el ácido sulfúrico.

Para obviar este inconveniente, que en varias ocasiones ha desembocado en graves accidentes, se han añadido diversas sustancias inhibidoras del ANFO, tales como urea, oxalato potásico, etc., llegando a la conclusión de que con el aporte al ANFO de un 5% en peso de urea se evita la reacción exotérmica de la mezcla ternaria hasta una temperatura de 180°C (Miron et al, 1979).

La sensibilidad de los explosivos tipo hidrogel depende también de la temperatura de la roca con la que esté en contacto, por ello, es necesario prestar gran atención a éste fenómeno.

Una recomendación general cuando se presentan estos problemas es la de limitar el número de barrenos por voladura, a fin de disminuir el tiempo que transcurre entre la carga y el disparo.