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1 Capítulo-1 Introducción y Conceptos Generales de Voladuras INGENIERÍA E INSTRUMENTACIÓN EN TRONADURA por Ing. Carlos R. Scherpenisse Octubre - 2006 ASP Blastronics 2 Introducción Comprender: P Objetivos de la voladura P Qué implica el diseñar una voladura P Qué es necesario considerar P Definiciones y conceptos básicos P Utilización de directrices de diseño P Enfoques diferentes en el diseño de voladura P Cómo “Implementar” una voladura 1 of 31 Curso Voladura EXSA - Octubre 2006 ASP Blastronics (Chile) / GAI_Tronics (Perú)

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Capítulo-1

Introducción y ConceptosGenerales de Voladuras

INGENIERÍA E INSTRUMENTACIÓN EN TRONADURA

por

Ing. Carlos R. Scherpenisse

Octubre - 2006 ASP Blastronics

2

Introducción

Comprender:

PObjetivos de la voladuraPQué implica el diseñar una voladuraPQué es necesario considerarPDefiniciones y conceptos básicosPUtilización de directrices de diseñoPEnfoques diferentes en el diseño de voladuraPCómo “Implementar” una voladura

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Objetivos de la Voladura

PObjetivo de Corto Plazo : “Lograr un adecuado grado defragmentación de la roca, de tal modo que haga mínimo elcosto combinado de las operaciones de Carguío,Transporte, Chancado y Molienda de la roca.”

PObjetivo de Corto y Largo Plazo : “Minimizar el daño almacizo rocoso en su entorno, protegiendo la integridad delos bancos y la estabilidad de los taludes, asegurandoángulos de diseño, cuidando las Instalaciones eInfraestructuras mas próximas, permitiéndo una operaciónsin riesgo”

La Voladura es un proceso inserto en el Negocio Minero y sobre el cual tiene un gran impacto, tanto en el corto como en el largo plazo.

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Importancia de la Voladura

! Reconocer su importancia, ! Crear grupos de trabajos multidiciplinarios

! Proveer de Recursos y Tecnología

! Utlizar un metodología que permitan evaluar yposteriormente optimizar esta operación unitaria.

Por el alto grado de influencia que tienen losresultados de la tronadura, en los restantesprocesos de la Mina (Corto y Largo Plazo),

es esencial y necesario:

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La Voladura y sus Influencias

K El negocio minero (el proceso de la mina ysu viabilidad técnico-económica), puede verseafectado por las Voladuras.

K Cuál es el costo..... de una mala Voladura ?

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ENFOQUE GRUPAL PARA LOGRAR UNAEFICIENCIA OPTIMA DE LA VOLADURA

PLa Preocupación por los detalles es la clave de una voladura eficiente y segura. PCada operación debe ser realizada en la forma más precisa posible. PLos controles de calidad pueden aumentar la productividad considerablemente. PLos diseños eficientes de voladura requieren de un esfuerzo grupal. PCada operación afecta el resultado de la próxima operación.

Dideño de laVoladura

Distribuciónde la mallaCuantificación

del resultado

Refinamientodel diseño

Preparacióndel banco

PerforaciónExcavación

Carguio dela Voladura

Resultado Optimode la Voladura

Actitud

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FACTORES PRINCIPALES QUE AFECTAN LAEFICIENCIA DE LA VOLADURA

PComunicación.<Las prácticas seguras de voladura requieren de una buena comunicación<La comunicación entre los miembros del mismo grupo y entre los grupos es imperiosa<Los diseños óptimos de voladura dependen del aporte de cada grupo

PTres claves para un diseño de voladura eficiente.<La distribución de la energía explosiva en el macizo rocoso

– La energía debe ser distribuida en forma pareja para lograr una fragmentación uniforme.<Confinamiento de la energía explosiva en el macizo rocoso

– La energía explosiva debe ser confinada durante el tiempo suficiente después de la detonación para fracturar ydesplazar el materiar.

<Nivel de energía explosiva– El nivel de enegía debe ser suficiente para vencer la fuerza estructural de la roca y permitir el desplazamiento.

NIVEL DE ENERGIA

RESULTADOOPTIMO DE

LA VOLADURA

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Prácticas de Ingenieríaen Voladura.......

•Caracterización

•Diseño

•Implementación

•Valorización

•Documentación

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El Diseño depende de :

Objetivos delDiseño

Diseño yAnálisis

Implementación

•Comenzar con un DiseñoBásico

•Monitorear Rendimientos

•Saber cómo cambiar paramejorar resultados

•Identificar cuándo cambiar omodificar un diseño

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Monitorear el Rendimientode la Voladura

“El Rendimiento es Controlado por laImplementación”

‚ Calidad de la Perforación‚ Rendimiento del Explosivo‚ Rendimiento de los Retardos‚ Rendimiento del Taco‚ Fragmentación‚ Vibración (Cercana y Lejana)‚ Movimiento del Burden (Dilusión)‚ Muck Pile (Altura)‚ Daño y Quebradura

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! Obtener una base de información objetiva yrepresentativa por Sector (PPV, VOD, etc.)

! Comprender la Dinámica del Proceso de la Voladuraen el Macizo Rocoso.

! Guiar el Diseño de la Voladura de Producción yContorno.

! Evaluar y Controlar el Daño según el tipo de Roca.

¿ Por Qué ?Monitorear las Voladuras

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¿A que se refiere el Diseño de una Voladura?

“Es la especificación de cada elemento de la Voladura demanera tal que esta se pueda implementar en terreno”

PLugar, tamaño y forma del volumen a VolarPTamaño de pozos, orientación y mallaPTipo de explosivo y su distribuciónPSecuencia y tiempo de iniciación de cada pozo

Esto incluye:

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La Realidad

PDiscrepancia entre la teoría y la prácticaPLa base de diseño es sencilla y empírica .....PTecnología en Voladura depende en la

sofisticación de– Perforadoras– Explosivos– Sistemas de Iniciación– Sistemas de Monitoreo– Herramientas de análisis y modelamiento

PEl diseño de Voladura todavía requiere un pocode ARTE! (- i.e. Buena Ingeniería)

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Consideraciones de Diseño

PPropiedades de la roca– Resistencia / Dureza– Densidad– Modulos Elasticidad

PEstructura del macizorocoso

– Macizo– Estratificado– En bloques– Fracturado– Homogéneo o variable

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Consideraciones de Diseño

Situación

- Tamaño y forma del volumen a Volar- Acceso- Proximidad a estructuras y maquinaria- Agua

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Consideraciones de Diseño

< Perforadoras Tipo

Largo máximo de pozoDiámetro de pozos Orientación Capacidad

< ExplosivosTipoPropiedades de detonaciónPropiedades FísicasImpermeabilidad

< Geometría de diseñoTamaño y formaCaras libresMallaSobreperforaciónDecking

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Diseño - Cómo se hace?

PUsar un diseño conocido que haya funcionadoen otro lugar

PFórmulas fundamentalesPReglas básicasP Ingeniería en Voladura

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Algunas Definiciones

HB

Taco

L

Sobre-perforación, J

B

E

Diámetro de Perforación (D),Altura de Banco (H), largo depozo (L), Sobre-perforación (J),Burden (B) y Taco (T).

Burden y Espaciamiento

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Langefors y Kihlstrom

PBasado en un análisis sencillo y experiencia enroca dura en Suecia.

PRepresentativo de la “época de la dinamita”P Ilustrado con el uso de “Reglas” y “Factores”

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Factores de selección :

- Competencia de la roca- Costo específico de la tronadura ($/m3 roca volada)- Estructuras - Control de la perforación: inclinación y desviaciones- Tamaño de la perforadora y la accesibilidad al sitio- Altura del banco

Diámetro de la Perforación

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U Competencia de la rocaCuando se requiere una buena fragmentación :

Roca Dura " se recomiendan D pequeñosRoca blanda " se recomiendan D mayores

U Estructuras

Al reducir D, se intenta hacer coincidir el pozo, el B y el E con unbloque ayudando a una fragmentación más uniforme.

Diámetro de la Perforación

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En pozos de gran longitud y de gran inclinación se recomienda usardiámetros mayores reduciendo el grado de desviación.

A mayor altura de banco, mayor es la probabilidad de desviaciónde la perforación.La máxima exactitud en la perforaciíon se logra con pozos lo máscorto posible y diametros lo más grandes operacionalmentedisponibles.

U Control de la perforación

Diámetro de la Perforación

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En resumen :

Grandes diámetros : Menor costo de perforación.Menor control sobre la fragmentación.Menor control sobre el impacto ambiental .Mayores factores de carga para mejorar la distribución de energía.

Diámetros pequeños :Mejor fragmentación.Menor vibración.Uso de perforadoras más livianas y movibles.Mayor costo de perforación.Mayor grado de desviación en perforaciones largas.

Menor grado de desviación en perforaciones largas.

Diámetro de la Perforación

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Reglas Básicas Generales

Diámetro (D) de pozo vs Altura de Banco

D(pulgadas) = H (pies) / 10 (Atlas)

D = H / 40 - Dura (Hoek and Bray)

D = H / 66 - Blanda (Hoek and Bray)Diámetro = ( 15 / 66 ) = 0.227m = 8.95"

Diámetro = ( 15 / 0.3048 ) / 10 = 49.21 /10 = 4.92"

Diámetro = ( 15 / 40 ) = 0.375m = 14.7"

Cálculo Ejemplo para H=15m, Burden=8m, Diám=10 5/8"

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Diám B - Min B - Prom B - Max[Pulg.] [m] [m] [m]6 3/4 3.5 5.4 8.17 7/8 3.9 6.0 9.0

9 4.3 6.5 9.89 7/8 4.5 7.0 10.5

10 5/8 4.8 7.3 11.012 1/4 5.3 8.1 12.1

25

B

Dimensión lineal entre el pozo y la cara libre. Se mide perpendiculara la dirección de la línea de pozos que constituyen una fila.

Estimación práctica de Rustan(1990) :Bp : Burden Promedio (m)d : diámetro (m)

En este cálculo, el rango de variabilidad recomienda esté entre un Bmáx de 150%B y un Bmin de 65%B

Bp = 18.1 d

Burden (B)

0.689

26

Burden (B)

B = (25 a 35 × D) / 12 (Atlas Powder)B = 45 × D (Hoek and Bray)B = 19.7 × D0.79 (Atlas Copco)B = (20 to 40) × D (Dick et all)B = (0.25 to 0.5) × H (Adhikari)B = [(2 δe/δR) + 1.5]DH (Konya DH=Pulg, B=ft])Burden = 0.25 a 0.50 x 15m = 3.75m a 7.5m

Burden = (25 a 35 x 10 5/8")/12 = 22.14 a 30.99 pies = 6.75m a 9.44m

Burden = 45 * 10 5/8" = 478.1" = 12.1m

Burden = 19.7 * [(10 5/8"*0.0254)^0.79] = 19.7 * [0.3553] = 7.0m

Burden = [(2 x 1.3/2.5)+1.5] x 10 5/8" = 2.54 x 10 5/8" = 26.99 pies = 8.23m

Burden = 20 a 40 x 10 5/8" = 212.5" a 425" = 5.4m a 10.8m

Burden = [(2 x 0.8/2.5)+1.5] x 10 5/8" = 2.14 x 10 5/8" = 22.74 pies = 6.93m

Cálculo Ejemplo para H=15m, Burden=8m, Diám=10 5/8"

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“ B “, tiene un límite mínimo, sobrepasado este, la Voladuratiende a producir:

Fuertes estallidos en la cara libreExplosiones de aireProyecciones de rocas

En filas sucesivas y por excesivo confinamiento, las cargaspodrían producir interacciones negativas, generando:

Iniciación por simpatíaInsensibilización de cargas

Burden (B)

Eyecciones del Taco

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Espaciamiento (S)

Cuadrado: S = B

Triangular S = 1.15 B

Rango Común S = (1 to 2) × B

Cálculo Ejemplo para H=15m, Burden=8m, Diám=10 5/8"

S = 8 m a 16m

S = 8 m

S = 9.2 m

Dimensión lineal entre POZOS adyacentes que forman una fila. Se mide paralelamente a la cara libre

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Sobre-Perforación (J)Perforación bajo el nivel del piso del bancoTiene por fin generar pisos más planos

La pasadura con un θ entre 10E a 30E forma un cono de rotura. Cada cono debecoincidir con el adyacente, con el fin de evitar la sobrequebradura.

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Sobre-Perforación (J)

Sobre-Perforación = (0.2 to 0.5) × B (Atlas)

Sobre-Perforación = 0.3 × B (Konya)

Sobre-Perforación = (0.2 to 0.3) × B (Hoek & Bray)Pasadura (J) = (0.2 a 0.3) x 8.0m = 1.6m a 2.4m

Pasadura (J) = 0.3 x 8.0m = 2.4m

Pasadura (J) = (0.2 a 0.5) x 8.0m = 1.6m a 4.0m

Cálculo Ejemplo para H=15m, Burden=8m, Diám=10 5/8"

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Taco (T)

Taco más largo Taco más “corto”

Material inerte añadido en la parte superior delpozo (eventualmente intermedio)

Proporciona confinamiento de la energía de expansiónde gases.

Mientras más tiempo permanezca el taco, mayor será laefectividad de la energía del explosivo y los resultadosde la voladura (fragmentación y desplazamiento).

Evita proyecciones de roca y sobrepresión excesiva

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Taco (T)

Largo:T = (0.7 to 1.3) × B (Hoek and Bray)T = (15 to 25) × D (Atlas Copco)T = 0.7 × B (Konya)

Material:M = 0.05 × D (Adhikari)M - 0.15 × D (Konya)

Taco = 0.7 x 8.0 = 5.6m

Taco = (15 a 25) x 10 5/8" = 159.42 a 265.6" = 4.0m a 6.75m

Taco = (0.7 a 1.3) x 8.0 = 5.6m a 10.4m

Material = 0.15 x 10 5/8" = 1.59"

Material = 0.05 x 10 5/8" = 0.53" (13.5mm)

Cálculo Ejemplo para H=15m, Burden=8m, Diám=10 5/8"

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Diám Tg Tp[Pulg.] [m] [m]6 3/4 3.4 4.37 7/8 4.0 5.0

9 4.6 5.79 7/8 5.0 6.3

10 5/8 5.4 6.712 1/4 6.2 7.8

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Taco (T)

Largo:Tp = (25) × D (Valor promedio más Común)Tg = (20) × D (Mínimo con Gravilla *)

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Inclinación de PozosCuando los taludes están inclinados se pueden dar las siguientes situaciones :

1. Vertical 2. Inclinado

Las perforaciones debieran ser paralelas a la cara libre , con esto se obtieneuna mejor fragmentación debido a que el burden permanece constante.

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Ventajas de las perforaciones inclinadas :

Las mallas son más espaciadas, reduciendo los costos de perforación y explosivos porla cantidad menor de pozos.Mayor estabilidad de taludes (caras de bancos).Aumento del Desplazamiento e la pila Volada Y mejor excavabilidadMejoramiento en las condiciones de patas (pisos) y reducción de pasaduraMejor aprovechamiento de la energía

Inclinación de Pozos

36

Desventajas de perforaciones inclinadas

Aumento de los errores de alineación, es más difícil de empatar

Imposibilidad de repasar o reperforar

Aumento de la probabilidad de desviación

Aumento del desgaste de las barras de perforación

Inclinación de Pozos

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Acoplamiento del Explosivo

La diferencia de diámetros entre el pozo y el explosivo genera“deficiencias” en la energía transferida.

Esta “deficiencia” se puede estimar como pérdida de presiónde detonación, según la siguiente relación :

% reducción en barrenos con agua

% reducción en barrenos secos

1 - Explosivo

1.8

BarrenoDD

1 - Explosivo

2.6

BarrenoDD

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RigidezComparación del Indice de Rigidez

Mala distribución de la energía

Distribución aceptable de la energía

Buena distribución de la energía

Altura del banco 10 mDiámetro de la carga 311 mmBurden 10 m Indice de rigidaz 1 Taco 7 m

Altura del banco 10 mDiámetro de la carga 92 mmBurden 3,3 m Indice de rigidaz 3 Taco 2,3 m

Altura del banco 10 mDiámetro de la carga 145 mmBurden 5 m Indice de rigidaz 2 Taco 3,5 m

Nota: el factor de energía es el mismopara cada ejemplo

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Factor de Carga

PRelación entre el peso delexplosivo y el peso de la roca.

PConveniente, fácil de calcular yse puede relacionar con costos.

E

B

H

40

Factor de Carga

15 m

1.5m

6 3/4"5.6m x 5.6mFC=203g/Tn

12.5 m18.5 Kg/m100%231 KgANFO

4.0 m26.7% Hb

11.5 m25.1 Kg/m136%289 KgANFO

7 7/8"6.3m x 6.3mFC=202g/Tn

5.0 m33.3% Hb

9"6.9m x 6.9mFC=201g/Tn

10.5 m32.8 Kg/m178%345 KgANFO

6.0 m40.0% Hb

9 7/8"7.4m x 7.4mFC=201g/Tn

10.0 m39.5 Kg/m214%395 KgANFO

6.5 m43.3% Hb

10 5/8"7.7m x 7.7mFC=204g/Tn

9.5 m45.8 Kg/m248%435 KgANFO

7.0 m46.7% Hb

12 1/4"8.4mx8.4m

FC=204g/Tn

8.5 m60.8 Kg/m329%517 KgANFO

8.0 m53.3% Hb

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Factor de CargaPredicción de la Distribución Granulométrica

Modelo Kuz-Ram

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0.1 1 10 100 1000Tamaño de Partículas [cms]

4" 6 3/4" 7 7/8" 9" 9 7/8" 10 5/8"

42

Factor de CargaTamaños Característícos x Diámetro de Perforación

21.4 23.1 25.0 25.4 25.6 26.536.4

46.3 52.357.5 65.2

74.565.8

100.5

119.1

142.5

184.3

234.9

0.6

5.1

7.9

10.9

14.9

18.5

0

50

100

150

200

250

4" 6 3/4" 7 7/8" 9" 9 7/8" 10 5/8"Diámetro Pulg. (Malla / FdeC)

0

5

10

15

20

25

d50% d75% d95% Porcentaje de Sobretamaño, 100cms

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Variación del factor de carga

Espaciamiento

Incremento del Burden,reduce el factor de cargaAumento del

factor de Carga

Burden

Incremento delBurden

44

Factor de carga en 2D

Incremento enespaciamiento

Incremento en Burden

Concentración deEnergía en 2D

Burden

Espaciamiento

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Factor de Carga en 3D

l

L1

L2dl

rh P

Ep = IL1

L2

dlKf Eπ [ d

2]2

ρr43 π (h2 + 12 )

32

46

Factor de Energía

En un diseño, el factor de carga estábasado en el peso del explosivo sinreferencia a la potencia del mismo. (VOD ?).

Factor de Energía = Factor de Carga * Potencia Relativa en Peso

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Factor de Carga vs Tipo de Roca

Valores Típicos:Carbón 0.2 kg/m3

Esquisto arcilloso 0.3 kg/m3

Arenisca 0.5 kg/m3

Basalto fracturado 0.4 kg/m3

Granito resistente 0.8 kg/m3

48

“Problemas” con el Factor de Carga

PNo existen directrices respecto de como lograrresultados específicos en las voladuras.

PLas propiedades dinámicas y estructurales delmacizo rocozo son ignoradas.

PEl “Factor de Carga” no especifica como estádistribuida la energía.

PLa secuencia real de la secuencia y tiempo dedetonación de un pozo no son considerados.

PEl “Factor de Carga” es útil pero NO es suficiente.

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Mallas de Perforación

Malla cuadrada Cara libre

Cara libre

Malla cuadradaTrabada

Cara libre

Cara libre

Malla rectangularTrabada

Cara libre

Cara libre

MallaRectangular

Cara libre

Cara libre

B < SB < S

B = S B = S

BS

SS

SB

BB

50

Burden Efectivo

Burdenefectivo

Espaciamiento efectivo

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Ingeniería en VoladuraImplica:

PEntendimiento de situaciones de voladurasdiferentes y materiales de distintascompetencias.

PDefinir objetivos y restriccionesPDocumentación de experiencias previasPMedir rendimiento y resultados actuales

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Dónde empezar?

Parámetro PrioridadDiámetro de pozo

Burden

Espaciamiento

Malla

Tamaño y propósito

Inclinación de pozo

I/H, I/R, DH Retardos

Propiedades del macizo

Parámetro PrioridadSobre-perforación

Factor de energía

Decking

Largo de Taco

Tipo de explosivo

Densidad de explosivo

Altura de banco

Secuencia de iniciación

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Secuencia de Diseño

1. Reunir datos - objetivos, geologíamaquinaria, materiales, restricciones etc.

2. Definir geometría - altura de banco,tamaño de voladura e inclinación deperforadora, etc.

3. Escoger diámetro de pozo, sobre-perforación, largo de taco y posición dedecks.

54

Secuencia de Diseño

4. Escoger tipo de explosivo y factor deenergía

5. Definir la densidad del explosivo

6. Definir el burden requerido, espaciamientoy malla

7. Escoger la secuencia de iniciaciónadecuada, entre-pozos, entre-filas, yretardos down-hole.

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55

Dónde empezar?

Parámetro PrioridadDiámetro de pozo

Burden

Espaciamiento

Malla

Tamaño y propósito

Inclinación de pozo

I/H, I/R, DH Retardos

Propiedades del macizo

Diámetro de pozo

Burden

Espaciamiento

Malla

Tamaño y propósito

Inclinación de pozo

I/H, I/R, DH Retardos

Propiedades del macizo

Parámetro PrioridadSobre-perforación

Factor de energía

Decking

Largo de Taco

Tipo de explosivo

Densidad de explosivo

Altura de banco

Secuencia de iniciación

5

12

13

14

1

4

16

2

6

10

8

7

9

11

3

15

56

Recomendaciones de enfoque

PDefinir la zonas de la VoladuraPDesarrollar diseños básicosPAplicar principios de ingeniería de Voladura:

– Documentar objetivos, condiciones, diseños y rendimiento– Monitorear rendimiento de la voladura– Cuantificar resultados de la voladura– Identificar mecanismos que generan bajos rendimiento– Realizar pruebas de diseño alternativos y análisis– Implementar diseños modificados– Continuar con un mejoramiento contínuo

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57

ConsideracionesGenerales

respecto a .....

“LA TRONADURA”

58

“El Mejoramiento y Optimizaciónde la Operación de Perforación y

Tronadura, debe realizarse desde unaperspectiva GLOBAL”

Visión Global de la Voladura

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59

“La Tronadura”de

Unidad Productivaa

Unidad de Negocios “La Minería es un Negocio,

como Negocio necesita procesos de Negocio y sistemas que conecten la estrategia de largo plazo con sus

actividades diarias”Nelson Pizarro, Gerente General de Minera Los Pelambres.

Reflexiones ....

60

Reflexiones ....

“Un diseño mediocre bien implementadopuede ser mejor que una mediocre

implementación de un buen diseño”.

“No se puede mejorar o controlar unproceso que no se puede medir”

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Carlos R. Scherpenisse

Email: [email protected], WebSite: www.aspblastronics.cl

Preparado para: EXSA, Lima-Perú

Octubre - 2006

INGENIERÍA E INSTRUMENTACIÓN EN TRONADURA

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