Sesión N° 2

Voladura Controlada en

Open Pit Carlos P. Orlandi

Voladura para

Control de Pared

Estado del Arte

en Minería a Cielo Abierto

Carlos P. Orlandi (Ver Referencias y Bibliografía)

24 / Marzo / 2014

Agenda

• Objetivo

• Conceptos Generales

• Teoría y Modelo de Daño

• Voladura Controlada

• Aplicaciones Prácticas en Roca Fracturada

• Conclusiones y Recomendaciones

– Bibliografía y Referencias

Conceptos Generales

• Se entiende por voladura controlada toda aquélla que está diseñada para limitar los efectos sobre el entorno, ya sea tanto sobre el macizo rocoso mismo como el ambiente.

• Para el control de taludes interesa minimizar las alteraciones sobre el macizo, considerando tanto efectos sobre la roca (campo cercano) como la posible activación de fallas o cuñas (campo medio).

Daño a la Roca

• Se considera daño a la roca la alteración indeseada de sus propiedades geomecánicas como producto del sometimiento a esfuerzos mecánicos generados por la voladura.

“Cambio en la Matriz de Fracturas de la Estructura de la Roca”

Número de Fracturas

Condición de las Fracturas: longitud, apertura, rugosidad.

Daño...

Efectos:

– Fracturamiento masivo, en la zona circundante a los pozos.

– Creación de nuevas fracturas

– Dilatación de fracturas existentes, tanto en espesor como en longitud.

– Disminución de cohesión de bloques in- situ.

– Deslizamiento de cuñas.

– Disminución del ángulo del talud.

Mecanismos de Daño (causas)

• Fracturamiento inducido por esfuerzos

(fatiga inducida)

• Extensión de las fracturas

• Deslizamiento provocado por Vibración

• Craterización (Expansión de los Gases)

Fracturamiento inducido

Vibración = Esfuerzo Mecánico

Esfuerzo

Nuevas fracturas

Deslizamiento

Dilatación de Fracturas

Deformación y Vibración….

… están relacionados

Deformación = e = f (PPV, Vp) = f (s, E)

PPV = “Peak Particle Velocity” Vp = Velocidad de la Onda P

s = resistencia a la tensión E = módulo de Joung

es

= =PPV

V Ep

Nivel Crítico de Vibraciones (PPVmax)

E

VPPV

tpmax

s=

Propiedades de la Voladura

Asumiendo u = 0,25:

PPVV

max

t

p roca

=

1 2, s

Propiedades de la Roca

Qué dice “la teoría”

• El PPV crítico (“PPVmax”) es una característica de cada roca.

• La intensidad del daño es proporcional a este nivel máximo de vibraciones PPV max:

– Dilatación de fracturas 1/4 * PPVmax

– Aparición de nuevas grietas 1 * PPVmax

– Daño notorio u obvio 4 * PPVmax

– Sobrequiebre 8 * PPVmax

(Criterio de Holmberg y Persson)

Existe además una “Zona de Trituración” alrededor de la perforación, si la compresión ejercida por el frente de ondas supera la resistencia a la compresión de la roca.

Ejemplos de Niveles Críticos

para algunas rocas comunes

Granito 850 mm/s

Andesita 600 mm/s

Arenisca 450 mm/s

Pizarra 350 mm/s

Concreto 250 mm/s

Cálculo de PPV de una Voladura

Método convencional en base al peso de la carga Wt:

PPV K W Xt=

K, y son propiedades de la roca

Vibraciones: Campos Lejano / Cercano

H

X

PPV K W Xt= Para X >> H

PPV K W Xt Para X 5 H

Vibraciones en “Campo Cercano”

Vibraciones en “Campo Lejano”

Vibraciones en Campo Cercano

H

K, , y g son propiedades de la roca

Ro

dh

f

PPV K

dh

R R tan ho

=

g

f

0

2 202

h

Contornos de Daño 1

Anfo, Heet 930

d = 0,9 - 1,2 g/cc

Taco Contorno de daño

Zona fragmentada

Contornos de Daño 2

Hidrex LD® , Flexigel ®, Panfo ®, Anfex L ® o Anfo Liviano

d = 0,4 - 0,7 g/cc

Taco Contorno de daño

Zona fragmentada

Comparación del Daño

Anfo, Heet 930 Panfo, Anfex L, Hidrex LD

Taco

Contorno de daño

Zona fragmentada El daño es proporcional a la Densidad Lineal de Carga

Otras Situaciones

con carga de fondo de mayor densidad

Taco

Heet 950

Anfo

Contorno de daño

Zona fragmentada

Efecto del Taco de Aire

Taco

Heet 950

Taco de Aire

Contorno de daño

Zona fragmentada

Carga Lineal Desacoplada

Enaline ®

de preferencia, sin taco

Contorno de daño

Zona fragmentada

El daño es proporcional a la Densidad Lineal de Carga

Anfo, Heet 930 Panfo, Anfex L, Hidrex LD

o Anfo Liviano Enaline

Taco

de

pre

fere

ncia

, sin

tac

o

Contorno de daño

Aplicaciones de Terreno 1

Voladura de Producción f = 10 5/8 “

explosivo = 1,2 g/cc

Radio del Daño(m) 20 10 10 20

44 m

Aplicaciones de Terreno 2

Voladura de Producción f = 10 5/8 “

explosivo = 0,8 g/cc

20 10 10 20 Radio del Daño(m)

30 m

Aplicaciones de Terreno 3

Voladura Buffer o Amortiguada f = 10 5/8 “

explosivo = 0,6 g/cc

20 10 10 20 Radio del Daño(m)

22 m

Aplicaciones de Terreno 4

Voladura en Diámetro Menor f = 6 1/2 “

explosivo = 1,2 g/cc

20 10 10 20 Radio del Daño(m)

24 m

Aplicaciones de Terreno 5

Voladura Buffer en Diámetro Menor f = 6 1/2 “

explosivo = 0,8 g/cc

20 10 10 20 Radio del Daño(m)

16 m

Comparación de Halos de Daño

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 Caso

Met ros10 5/8” 1,2 g/cc

10 5/8” 0,8 g/cc

10 5/8” 0,6 g/cc

6 1/2” 1,2 g/cc

6 1/2” 0,8 g/cc

Valores aproximados para Andesita

Radio del Daño

Costos de P & V

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1 2 3 4 5 Caso

US$/T

10 5/8” 1,2 g/cc

10 5/8” 0,8 g/cc

10 5/8” 0,6 g/cc

6 1/2” 1,2 g/cc

6 1/2” 0,8 g/cc

Valores aproximados, Codelco Div. Chuquicamata

Comparación de Costos

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

6 8 10 13 15 17 20Radio

del Daño (m)

Costo (

US

$/T

)

165 mm f

exp = 1,3 g/cc

exp = 0,5 g/cc

280 mm f

exp = 1,3 g/cc

exp = 0,5 g/cc

Voladura Normal de Producción

Escala Aproximada (m)

15 - 20 30 - 60

5 - 7

Pared Final del banco

Cresta

Pata

Piso del Siguiente Banco

Cresta Futura

8 6 8 8 8

Nueva Cara Transitoria

Voladura Franja Final

Cresta

Pared Final del banco

Cresta Futura

Piso del Siguiente Banco

Pata

Escala Aproximada (m)

15 - 20 30 - 60

5 - 7 8 6 8 8 8

Precorte Buffer “Trim Blasting”

Detalle del “Trim Blasting”

Cresta

Pata

Buffer 1: Columna Completa de Anfo o Heet

Buffer 2: Carga de Fondo, generalmente Anfo,

y Taco de Aire

(Ambos en Diámetro Intermedio, entre 6 1/2 y 8 “, sin pasadura)

Precorte: Carga Desacoplada (Enaline) en Perforación de Pequeño Diámetro (4 1/2 - 6 1/2 “)

Vista en Planta

Pata

Cresta

Línea de

Programa

Límite 1a Franja

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Precorte: Carga Desacoplada (Enaline) en Perforación de Pequeño Diámetro

(4 1/2 - 6 1/2 “)

Voladura Normal de Producción

Buffer 1: Columna Completa de Anfo o Heet

Buffer 2: Carga de Fondo, Anfo,y Taco de Aire

(Ambos en Diámetro Intermedio,entre 6 1/2 y 8 “, sin pasadura)

Costos Relativos

“Trim Blasting”

Escala Aproximada de Costos (US$/Ton):

0.5

0.1

0.3 30 -80 m

15 - 20 m

Costo Promedio (Para una Expansión de 90m)

Simulación Computacional

(QED®)

Fórmulas para Precorte 1

• En la práctica, para lograr buenos precortes se calcula el espaciamiento S en base a la correlación de Sutherland:

S k b= f

siendo k una constante (rango típico 8 - 16) y fb el diámetro de la perforación.

Du Pont recomienda usar k = 10 para la mayoría de las rocas medianamente competentes; se usa este valor en construcción de caminos (para seguridad y “cosmética”) y minería de carbón (USA).

Avey recomienda k = 12, que se usa ampliamente en minería metálica.

Fórmulas para Precorte 2

• La correlación más usada en minería (no para

“cosmética”) es la siguiente:

SP T

Tb

b=

f

( )

10 en que:

S = Espaciamiento entre hoyos del Precorte (cm)

fb= Diámetro de la Perforación (mm)

T = Resistencia a la tracción de la roca (MPa)

Pb= Presión de Barreno (MPa)

P f VODb c= 110 1 25 2,

exp

fc = factor de desacoplamiento en volumen

Secuencia de Iniciación del Precorte

• La práctica que da mejores resultados es la iniciación “instantánea” del precorte usando cordón detonante o detonadores electrónicos.

• El uso de cordón detonante en realidad significa iniciar los pozos en una secuencia lineal con un intervalo de unos 0,5 a 1 milisegundo (equivalentes a la VOD del cordón dividida por su longitud).

• La teoría de fracturas nos dice que el instante óptimo para detonar una carga de la línea del precorte es aquél en el que el pozo está sometido al máximo esfuerzo mecánico (compresión / tensión) provocado por la detonación previa.

Mecanismo de creación de la fractura

Pozo i Pozo i + 1

Distancia = S

t = ti

El Frente de Ondas se desplaza a Velocidad = Vp (2,5 - 5 Km/s)

t tS

Vi i

p

= 1 Esfuerzo de Compresión

Esfuerzo de Tensión

Nota: Dr.H.P. Rossmanith, E.Berger y C.Orlandi están investigando la aplicación práctica de

este efecto, usando un Dt = S/Vp

“Zoom” del Pozo i + 1

Pozo i+1

Vp

Zonas de máximo “factor de intensidad de

esfuerzos”

Formación de Campos de microfracturas

Fracturas que formarán la “grieta” entre los pozos contiguos del precorte

Daño por Craterización

(o el Efecto de la Penetración de los Gases)

Centro de la Carga

Fondo de la Carga

Cono de Influencia Primario

Cono de Influencia Secundario

Zona Esponjada (Fragmentada y Levantada)

Zona Alterada (Fragmentada y con disminución de Cohesión)

Daño por Craterización

(o el Efecto de la Penetración de los Gases)

Centro de la Carga

Fondo de la Carga

Cono de Influencia Primario

Cono de Influencia Secundario

Zona Esponjada (Fragmentada y Levantada)

Zona Alterada (Fragmentada y con disminución de Cohesión)

Efecto Combinado

de Vibraciones y Gases

Efecto Combinado

de Vibraciones y Gases

Efecto Combinado

de Vibraciones y Gases

Cara Libre

Acción Conjunta de las Cargas

Banco a Tronar

Conos de Influencia Primarios

Pila Tronada Levantamiento de la Superficie del Banco

Conclusiones

• La decisión de practicar Voladura Controlada es netamente económica.

• Será conveniente cuando el valor del beneficio (aumento del ángulo de talud, mejoramiento de la seguridad del pit, etc.) sea mayor que el aumento de costo de P&V involucrado.

• No tiene sentido hacer Precortes si con un diseño no adecuado de la voladura de producción destruimos más allá de la línea de programa.

• ¡Precorte implica necesariamente diámetro pequeño! (Excepto que dispongamos de un método alternativo para disminuir la densidad de carga lineal)

• ¡Precorte implica necesariamente desacoplamiento lineal! (Excepto que la roca presente ciertas características muy especiales que permitan otra opción)

• “Trim Blasting” implica necesariamente voladura en (al menos) dos etapas.

• Siempre es posible lograr un adecuado control de pared con un buen diseño, con o sin precorte, y adecuada selección de explosivos.

Recomendaciones

• Antes de decidir si hacer o no Voladura Controlada, con o sin precorte, es imprescindible identificar los beneficios...

– Directos...

– Indirectos...

– Inmediatos...

– De largo Plazo...

…y los costos involucrados.

• Una vez tomada la decisión, “no intentar reinventar la rueda”: usar el actual Estado del Arte de nuestra Ciencia de la Voladura y la experiencia de quienes han

desarrollado o aplicado tecnología de punta.

• Evitar “no creer en la teoría”; generalmente esto lo hacemos por comodidad o temor al cambio.

Bibliografía y Referencias

• State of the Art on Blasting Techniques, C.K. McKenzie, Seminario Estado del Arte en Tronadura, Enaex - Austin - Blastronics, Santiago, Abril 1995.

• Overview of Slope Stability and Final Slope Design, J. Jones, Seminario Estado del Arte en Tronadura, Enaex - Austin - Blastronics, Santiago, Abril 1995.

• Blast Damage Control in Large Open Cut Mines, C.K. McKenzie, Segundo Coloquio de Tronadura a Cielo Abierto, Antofagasta, Agosto 1997.

• Open Pit Blast Design, Analysis and Optimization, Andrew Scott, JKRMC Monograph Series on Mining and Mineral Processing 1, The University of Queensland, Brisbane, Au, 1996.

• Literature Review on Application of Presplitting in Large Open Cut Mines, C.K. McKenzie, Report to Codelco Chile, División Chuquicamata, Abril 1997.

• Wall Control Strategies for the Chuquicamata East Wall Expansion Areas, Gideon Chitombo (JKMRC), Report for Enaex S.A. and Codelco, División Chuquicamata, Mayo 1998.

• Curso Fundamentos de la Fragmentación de Rocas con Explosivos - Teoría de Fracturas, H.P. Rossmanith, Institute of Mechanics, Technical University of Viena, 4 - 9 de Junio, 1996 (Enaex para Codelco Div. Chuquicamata).

• Tronadura Controlada de Buena Calidad, E.Berger, C.Orlandi, Convención IIMCh, Iquique, Nov. 1997.

• Varios Trabajos e Informes Técnicos de Enaex.

Gracias por vuestra atención...

Agradeceré Consultas y Comentarios.

Fáciles! + Valor