17 Propiedades macizo rocoso

8/4/2019 17 Propiedades macizo rocoso

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~Captulo 17I

PROPIEDADES DE LAS ROCAS Y DE LOS MACIZOSROCOSOS Y SU INFLUENCIA EN LOS RESULTADOS DE

LAS VOLADURAS

1. INTRODUCCION

Los materiales que constituyen los macizos rocososI poseen ciertas caractersticas fsicas que son funcinde su origen y de los procesos geolgicos posterioresque sobre ellos han actuado. El conjunto de estosI fenmenos conduce en un determinado entorno, auna litologa particular con unas heterogeneidadesdebidas a los agregados minerales policristalinos y alas discontinuidades de la matriz rocosa (poros yI fisuras); y a una estructura geolgica en un estadotensional caracterstico, con un gran nmero de dis-continuidades estructurales (planos de estratifica-

I cin, fracturas, diaclasas, juntas, etc.).

2. PROPIEDADES DE LAS ROCAS2.1. DensidadLas densidades y resistencias de las rocas presen-tan normalmente una buena correlacin. En general,las rocas de baja densidad se deforman y rompencon facilidad, requiriendo un factor de energa relati-vamente bajo mientras que las rocas densas precisanuna mayor cantidad de energa para lograr una frag-mentacin satisfactoria, as como un buen despla-zamiento y esponjamiento.En rocas con alta densidad para que el impulso im-partido a la roca por la accin de los gases sea el

adecuado, debern tomarse las siguientes medidas:- Aumentar el dimetro de perforacin para elevaras la presin de barreno, PB = kxVD2, donde"VD es la velocidad de detonacin del explosivo.- Reducir el esquema y modificar la secuencia deencendido.- Mejorar la efectividad del retacado con el fin de

aumentar el tiempo de actuacin de los gases yhacer que stos escapen por el frente libre y nopor el retacado.Utilizar explosivos con una alta Energa de Bur-buja "EB" .

2.2. Resistencias dinmicas de las rocasLas resistencias estticas a compresin y a traccin

se utilizaron en un principio como parmetros indicati-vos de la aptitud de la roca a la voladura. As, se definiellndice de Volabilidad (Hino, 1959) como la relacin"RC/RT" de modo que a un mayor valor resultarams fcil fragmentar el material.El tratamiento racional de los problemas reales

obliga a considerar las resistencias dinmicas, ya questas aumentan con el ndice de carga (Rinehart, 1958;Persson et al, 1970) pudiendo llegar a alcanzar valoresentre 5 y 13 veces superiores a las estticas.Cuando la intensidad de la onda de choque supera ala resistencia dinmica a la compresin "RC'" se pro-

duce una trituracin de la roca circundante a las pare-des del barreno por colapso de la estructura intercris-talina. Pero esta trituracin contribuye muy poco a lofragmentacin y provoca una fuerte disminucin de laenerga de tensin.Por ello, se recomienda:- Seleccionar explosivos que desarrollen en las pa.redes del barreno tensiones inferiores o iguales eRC'".- Provocar una variacin de la curva Presin-Tiempc(P-t), por desacoplamiento de la carga dentro debarreno.

Estos puntos tienen su mxima expresin en el di.seo de voladuras perimetrales o de contorno.El consumo especfico de explosivo requerido en la~voladuras en banco puede correlacionarse con la re.sistencia a compresin, tal como se indica en la Ta.bla 17.1 (Kutuzov, 1979).

2.3. PorosidadExistendos tipos de porosidad: la intergranular (de formacin y la de disolucin o post-formacin.La primera, cuya distribucin en el macizo puedEconsiderarse uniforme, provoca dos efectos:

- Atenuacin de la energa de la onda de choque.- Reduccin de la resistencia dinmica a la com21 ~


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TABLA 17.1.

./

CLASIFICACION DE LAS ROCAS SEGUN SU FACILIDAD A LA FRAGMENTACIONCON EXPLOSIVOS EN MINAS A CIELO ABIERTO

presin y, consecuentemente, incremento de latrituracin y porcentaje de finos.

El trabajo de fragmentacin de rocas muy porosasse realiza, casi en su totalidad, por la energa de bur-buja, por lo que debern observarse las siguientesrecomendaciones:- Utilizar explosivos con una relacin EB/ET ele-

vada, como por ejemplo el ANFO.- Incrementar la EB a costa de la ET, mediante

el desacoplamiento de las cargas y los sistemasde iniciacin.- Retener los gases de voladuras a alta presin con

un dimensionamiento adecuado de la longitud ytipo de retacado.

- Con varios frentes libres, mantener dimensionesiguales de la piedra en cada barreno.

La porosidad de post-formacin es la causada porlos huecos y cavidades que resultan de la disolucindel material rocoso por las aguas subterrneas(karstificacin). Los espacios vacos son mucho ma-yores y su distribucin es menos uniforme que la dela porosidad intergranular.

'COQUERA

RETACAOOINTERMEDIO

Figura 17.1. Ejecucin correcta de la carga de un explo-sivo a granel en un terreno con coqueras.218

Tambin en las rocas de origen volcnico es fre-cuente encontrar un gran nmero de oquedadesformadas durante su consolidacin.Las cavidades intersectadas por los barrenos no

slo dificultan la perforacin con la prdida de vari-llaje y atranques, sino incluso la eficiencia de la vola-dura, especialmente cuando se utilizan explosivos agranel y bombeables. Fig. 17.1.Si los barrenos no intersectan a las cavidades, elrendimiento de la voladura tambin disminuye por:- La prematura terminacin de las grietas radiales

al ser interrumpidas en su propagacin por loshuecos existentes.- La rpida cada de la presin de los gases al in-tercomunicarse el barreno con las cavidades. Y

por ello, el frenado de la apertura de grietas ra-diales al escapar los gases hacia los espacios va-cos.

2.4. Friccin internaComo las rocas no constituyen un medio elstico,

parte de la energa de la onda de tensin que se pro-paga a travs de l se convierte en calor por diversosmecanismos. Estos mecanismos son conocidos porfriccin interna o capacidad de amortizacin espe-cfica-SOC, que miden la disponibilidad de las rocaspara atenuar la onda de tensin generada por la deto-nacin del explosivo. La SOC vara considerable-mente con el tipo de roca: desde valores de 0,02-0,06para los granitos (Windes, 1950; Blair, 1956) hasta losde 0,07-0,33 para areniscas. La SOC aumenta con laporosidad, la permeabilidad, las juntas y el contenidoen agua de la roca. Tambin aumenta considerable-mente con los niveles meteorizados en funcin de suespesor y alteracin.La intensidad de la fracturacin debida a la onda detensin aumenta conforme disminuye la SOCo As por

CONSUMOESPECIFICODEEXPLOSIVO DISTANCIAMEDIA RESISTENCIADE LA DENSIDADENTRE FRACTURAS ROCAA COMPRE- DELALIMITESDECLASES VALORMEDIO NATURALESEN SIONSIMPLE ROCA(kg/m3) (kg/m3) ELMACIZO(m) (MPa) (t/m3)

0,12-0,18 0,150 < 0,10 10-30 1,40-1,800,18-0,27 0,225 0,10-0,25 20-45 1,75-2,350,27 -0,38 0,320 0,20-0,50 30-65 2,25-2,550,38-0,52 0,450 0,45-0,75 50-90 2,50-2,800,52-0,68 0,600 0,70-1,00 70-120 2,75-2,900,68-0,88 0,780 0,95-1,25 110-160 2,85-3,000,88-1,10 0,990 1,20-1,50 145-205 2,95-3,201,10-1,37 1,235 1,45-1,70 195-250 3,15-3,401,37-1,68 1,525 1,65-1,90 235-300 3,35-3,601,68-2,03 1,855 > 1,85 > 285 > 3,55


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__ --..ejemplo, los explosivos tipo hidrogeles son ms efecti-vos en formaciones duras y cristalinas que en los ma-

.teriales blandos y descompuestos (Cook, 1961; Lang1966). Por el contrario, en stos ltimos, el ANFO esms adecuado a pesar de su menor energa de tensin.

~2.5. Conductividad

~ Las fugas o derivaciones de corriente puedenocurrir 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 yexiste agua en el entorno de la pega. Las medidas~ que deben tomarse para evitarestos problemas son:- Verificar que los cables d~ los detonadores dis-

~ ponen del aislamiento plstico en buen estado, y- Que todas las conexiones del circuito estn debi-damente aisladas y protegidas. Para ello, se re-comienda emplear conectado res rpidos.

~El fallo de alguno de los detonadores puede afectarconsiderablemente a los resultados obtenidos en las

~ voladuras.

~ 2.6. La composicin de la roca y las explosionessecundarias de polvoLas explosiones secundarias de polvo suelen produ-

~ cirse en minas de carbn ytambin de sulfuros metli-cos, en reas con alto contenido en pirita, y son cadada ms frecuentes por la utilizacin de barrenJs de

~ gran dimetro.Las primeras cargas que se disparan en una voladuracrean por un lado, una alta cantidad de finos que son~ lanzados a la atmsfera y por otro, remueven con laonda area y las vibraciones inducidas el polvo depo-sitado en los hastiales y el piso del hueco de la excava-

cin. Si la energa de los gases de las ltimas cargas es, suficientemente elevada para la concentracin depolvo alcanzada, puede llegar a producir explosionessecundarias de efectos devastadores importantes paraI las instalaciones de ventilacin, puertas de regulacin,equipos mviles, etc.La probabilidad de que se produzcan explosiones~ secundarias de polvo puede minimizarse tomando al-gunas de las siguientes medidas:- Suprimir el uso de explosivos aluminizados, ya que

las partculas de AI2O3 a alta temperatura en losproductos de detonacin son centros potencialesde ignicin.I - Seleccionar un explosivo y una geometria de losbarrenos del cuele que produzcan mateJial relati-vamente grueso.I - Retacar los barrenos con arena del exterior, tacosde arcilla o ampollas de agua.- Crear una nube de polvo de caliza u otro inhibidorpor delante del frente haciendo estallar un sacocon dicho material mediante un detonador que se

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dispara unos milisegundos antes que la voladura.- Lavar frecuentemente las paredes y pisos de la ex-cavacin para eliminar el polvo depositado.- Disparar las voladuras despus de proceder a laevacuacin completa del personal de las minas.

3. PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCO-SOS

3.1. LitologaLas voladuras en zonas donde se produce un cambiolitolgico brusco, por ejemplo estril y mineral, y con-

secuentemente una variacin de las propiedades re-sistentes de las rocas obliga a una reconsideracin deldiseo, pudiendo seguirse dos caminos:a) Esquemas iguales para los dos tipos de roca yvariacin de las cargas unitarias.b) Esquemas distintos pero con igual carga por ba-rreno. Esta disposicin suele adaptarse mante-niendo igual la dimensin de la piedra Fig. 17.2,yaque la introduccin de un esquema SxB" distintoen cada zona entraara una mayor complejidadde perforacin y un escalonamiento del nuevo

frente creado.RELE

Figura 17.2. Cambio de esquema recomendado. B = B'S #- S'.

Los yacimientos estratiformes semi horizontalesque presentan algn horizonte muy resistente pue-den conducir a un tipo de voladuras particular en lasque las cargas se alojen en los barrenos perfecta-mente confinadas a la altura de tales horizontes.Tambin es aconsejable que la localizacin de losmultiplicadores en las columnas de explosivo coin-cida con los niveles ms duros a fin de aprovechar almximo la energa de tensin desarrollada.Cuando se encuentran en contacto dos materialesde caractersticas resistentes muy diferentes, comopor ejemplo una caliza competente en contacto con219


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arcillas muy plsticas, y si los barrenos atraviesanestas tormaciones, tendr lugar una gran prdida deenergia asociada con la cada de presin y escape delos gases al producirse deformaciones rpidas de di-chos materiales blandos y, por consiguiente, se ob-tendr una mala fragmentacin. Fig. 17.3.ARC'LLA PLASTlCA

CAUZA

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./' ESCAPEDE GASESA.-ALTAPRESK>N


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tt TABLA17.2.-----~~-- TABLA 17.3. COMBINACIONES POSIBLES DE ES-PACIAMIENTO ENTRE BARRENOS (S), FRACTU-RAS (JJ Y TAMAO MAXIMODE BLOQUE ADMISI-BLE (M)-~

~

.

.

. nacin de las discontinuidades y al ngulo relativo delas direcciones citadas.Especial cuidado debe prestarse cuando las dis-. continuidades son subverticales y la direccin de sa-lida es normal a la de stas, pues es frecuente la so-breexcavacin por detrs de la ltima fila de barrenos y. se hace necesaria la perforacin inclinada para man-tener la dimensin de la piedra en la primera lnea de lapega. Fig. 17.4 YFoto 17.3.Cuando la estratificacin o los sistemas de juntas se,presentan con un ngulo menor de 30, se recomienda

.

Foto 17.2. Macizo de caliza intensamente diaclasado.

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TABLA 17.4

"--

"DISEO DE VOLADURAS ATENDIENDO AL CONTROL GEOESTRUCTURAL

DIRECCION DE LOS ESTRATOS

---1------------

FRENTELIBRE

INCLlNACION DELOS ESTRATOS

a = 0- ------

a = 90

a = 45

0 < a < 45

(Similar al caso anterior,la dureza esdeterminante)

45 < a < 90

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PLANO DE VOLADURA

DIRECCION DE SALIDA DE LA VOLADURA

ANGULO ENTRE LA DIRECCION DE LOS ESTRATOSY LA SALIDA DE LA VOLADURA

Direccin de salida indiferente

~=oo= 180=360~=45=135=225==315~=90o=270

~=00=1800=360rJ=45=135~=90~=225=315~=270

~=OO=180=360rJ=45= 1350~=90~=225=315~=270

rJ=90 -~=270

Buena fragmentacin.Frente irregularFragmentacin variable.Frente en dientes de sierraDireccin ms favorable

BuenaDesfavorablePoco favorableAceptableMuy favorable

BuenaDesfavorablePoco favorableAceptableMuy favorable

Poco favorableFavorable

(Dependiendo del valor de a y de la competenciade la roca, los resultados estarn ms prximosa (J. = 45 (J. = 90)


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.

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~

t

~

Foto 17.3. Frente de voladura coincidente con un plano deestratificacin.~ que los barrenos sean normales a dichos planos con elfin de aumentar el rendimiento de las voladuras.

Si se conoce la disposicin en planta de la comparti-~ mentacin de los macizos, deber tambin ser conside-rada para la colocacin de las cargas de explosivo conlos espaciamientos apropiados, en vez de mantener unadistancia uniforme entre stas. En efecto, situaciones~ como la esquematizada en la Fig. 17.5, en la que lasfracturas se disponen en familias que forman ngulossuplementarios, dan origen a liberaciones desiguales de, la energa de los explosivos, llegando la roca a fragmen-tarse excesivamente en las zonas con ngulos agudos,

y produciendo bloques grandes en las zonas con ngu-f los obtusos.AREA DE SOBREFRACTURACIDN

N

o - Es

AREA DE SOBREFRACTURACIDN

I Fig. 17.5. Influencia de los sistemas de fracturas no ortogo-nales de un macizo rocoso en los resultados de la fragmenta-cin (Proyeccin horizontal).

Para evitar estos problemas, que influyen muchasveces en la transmisin de importantes vibraciones alterreno, las cargas de explosivo deben ser colocadaspreferentemente junto a zonas con ngulos obtusos, yel espaciamiento entre barrenos siendo paralelo a lasdirecciones de los planos de fractura. Adems de estosprocedimientos, se recomienda una programacin delas secuencias de disparo de las cargas, con el fin decrear la mxima superficie libre despus de cada deto-nacin, circunstancia que depende de la geometra defracturacin del macizo. Cuando es posible cambiar eldimetro de los barrenos, se aconseja utilizar los dime-tros ms pequeos en el interior de zonas ms fractura-das, para controlar mejor la fragmentacin y los impac-tos ambientales resultantes.Otras alternativas para implementar el control geoes-tructural consisten en dotar a las voladuras de lneas de

barrenos de precorte, los cuales reducen la probabilidadde sobrefracturacin del macizo remanente, aunquepueden ocasionar vibraciones excesivas.

a

b

c

Figura 17.6. Direcciones relativas de los estratos con res-pecto al eje de los tneles.

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En los trabajos de excavacin de tneles las caracte-rsticas estructurales condicionan en gran medida lage6metra del perfil de los mismos, casi rectangular silas rocas son masivas y con arco de coronacin si lasrocas son ms inestables. Cuando las discontinuidadesson normales al eje de los tneles, las voladuras suelenrealizarse con buenos resultados, Fig. 17.6.a. Si laestratificacin o las discontinuidades son paralelas aleje de los tneles, Fig. 17.6.b, con frecuencia los avan-ces no son demasiado buenos y los frentes son desi-guales. Cuando la estratificacin presenta una direccinoblicua con respecto al eje de los tneles existir unlado sobre el que resultar ms fcil volar, en el caso dela Fig. 17.6.c en el lado izquierdo.

Por otro lado, las rocas muy laminadas con altaesquistosidad y fisuracin responden bien a los cuelesen V, y en tneles de gran dimetro se consiguen gran-des avances, de hasta 6 m, con ese tipo de cueles.Cuando se utilizan los cueles en V en pozos de sec-

cin rectangular, los mejores resultados se obtienencuando las discontinuidades son paralela.s a las aristasde los diedros de los planos que conforman las cuasdel cuele. Fig. 17.7.

Las tendencias son, por tanto, utilizar esquemas devoladuras verstiles, que se adapten a las discontinui-dades de los macizos, exigindose as un conocimientoprevio de stas.

DISCONTINUIDADES PERIMETROPRINCIPALES DEL POZO~j -- un- - - -. -1- _._~-r-

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Figura 17.7. Pozo rectangular con cuele en V (Hagan, 1983).

3.3. Tensiones de campoCuando actan las tensiones de campo residuales,

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tectnicas y/o gravitacionales (no hidrostticas), el es- ,-quema de fracturas generado alrededor de los barre-nos puede estar influenciado por la concentracin nouniforme de tensiones alrededor del mismo.En las rocas masivas homogneas, las grietas queempiezan a propagarse radial mente desde los barre-nos tienden a seguir la direccin de as tensiones prin- '-cipales.As por ejemplo, en el avance de galeras en macizosrocosos con una alta concentracin de tensiones resi-

duales, como en el caso de la Fig. 17.8, la secuencia dedisparo en los barrenos del cuele deber adecuarse alas mismas.Si en los planos de precorte de las excavaciones

proyectadas actan tensiones normales al mismo, losresultados obtenidos no sern satisfactorios, a menos

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Figura 17.8. Secuencia de iniciacin en un cuele con ba-rreno central de dimetro y tensiones residuales horizonta-les (a) Secuencia incorrecta (b) Secuencia correcta.

que el espaciamiento entre barrenos se reduzca consi-derablemente o se realice previamente una excavacinpiloto prxima que sirva para la relajacin del macizoliberando dichas tensiones y se sustituya el precortepor una voladura de recorte.

3.4. Presencia de aguaLas rocas porosas y los macizos intensamente frac-

turados cuando se encuentran saturados de agua pre-sentan habitualmente ciertos problemas:- Obligan a seleccionar explosivos no alterables porel agua.- Producen laprdida de barrenos por hundimientosinternos, y- Dificultan la perforacin inclinada.Por otro lado, el agua afecta a las rocas y a los

macizos rocosos en los siguientes aspectos:- Aumenta la velocidad de propagacin de las ondaselsticas en terrenos porosos y agrietados.- Reduce la resistencia de las rocas a compresin ya

traccin (Obert y Duvall, 1967) al ser menor la fric-cin entre partculas.


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

- Las juntas llenas de agua permiten el paso de lasondas de choque sin que se produzca un des-costramiento interno. Pero cuando el macizo en-tra en tensin, ese agua se moviliza ejerciendouna accin de cua que puede llegar a produciruna gran sobreexcavacin.

3.5. Temperatura del macizo rocosoLos yacimientos que contienen piritas suelen pre-

sentar problemas de altas temperatu ras de la rocapor efecto de la oxidacin lenta de este mineral, ha-ciendo que los agentes explosivos del tipo ANFOreaccionen exotrmicamente con la pirita excitn-dose a partir de una temperatura de 120Ci: 10C.Las ltimas investigaciones apuntan a una primerareaccin entre el ANFO y el sulfato ferroso hidratado,y ms especialmente entre ste ltimo y el nitratoamnico, inicindose una reaccin exotrmica quese automantiene a partir de los 80C. Este sulfatoferroso es uno de los productos de descomposicinde las pi ritas, adems del sulfato frrico y el cidosulfrico.Para obviar este inconveniente, que en varias oca-siones ha desembocado en graves accidentes, se hanaadido diversas sustancias inhibidoras del ANFO,

tales como urea, oxalato potsico, etc., llegando a laconclusin de que con el aporte al ANFO de un 5%en peso de urea se evita la reaccin exotrmica de lamezcla ternaria hasta una temperatura de 180C(Miron et al, 1979).La sensibilidad de los explosivos tipo hidrogel de-

pende tambin de la temperatura de la roca con laque est en contacto, por ello, es necesario prestargran atencin a ste fenmeno.Una recomendacin general cuando se presentanestos problemas es la de limitar el nmero de barre-nos por voladura, a fin de disminuir el tiempo quetranscurre entre la carga y el disparo.

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