I

Capítulo 23

VOLADURAS EN POZOS Y CHIMENEAS

1. INTRODUCCION

Además de las excavaciones subterráneas para laexplotación de yacimientos o para la apertura de cáma-ras de grandes dimensiones, en cualquier proyecto deaprovechamiento del subsuelo existen labores comoson los pozos y las chimeneas verticales o inclinadasque se caracterizan por el trazado lineal de las mismasy las dificultades de perforación.

En las últimas décadas, se han desarrollado numero-sos métodos que tienden a la mecanización de los tra-bajos, mediante la aplicación de técnicas y equipos deperforación especiales, y al aumento de los avances yrendimientos, conjuntamente con las condiciones deseguridad.

2. VOLADURAS EN POZOS

Los métodos de ejecución de pozos pueden dividirseen tres grupos:

- Método de banqueo.- Método de espiral.- Métod0s de sección completa.

2.1. Método de banqueo

Este método es adecuado para pozos de sección..rcuadrada o rectangular. Consiste en perforar en cadapega la mitad del fondo del piso, que se encuentra auna mayor cota, dejando la otra mitad para la recogidade aguas, si fuera necesario, o como hueco libre.

Las voladuras actúan como en pequeños bancos conun frente libre, desplazando el material hacia el huecode la pega anterior.

El sistema de perforación suele ser manual con mar-tillos neumáticos.

2.2. Método de espiral

Se aplicó inicialmente en Suecia y consiste en exca-var el fondo del pozo en forma de una espiral, cuya al-tura de paso dependerá del diámetro del pozo y el tipo

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Figura 23.1. Método de banqueo.

de terreno a fragmentar. Dentro de cada corte se vuelauna sección de la espiral con un ángulo lo suficiente-mente grande como para que el tiempo que exige reali-zar un corte completo coincida cen un múltiplo enterodel tiempo de trabajo disponible.

Los barrenos en cada radio se perforan paralelos ycon la misma longitud, ya que siempre existirá una caralibre que en cada posición desciende.

Figura 23.2. Método de espiral.

325

Además de las ventajas de rendimientos y costes quepresenta este método, otras particularidades interesan-tes son que puede sincronizarse la longitud del corte enfunción de la organización del trabajo, son sencillos losesquemas de perforación y sistemas de voladura y nose necesitan perforistas con mucha experiencia. Por úl-timo, como el escombro siempre queda en la parte másprofunda el equipo de carga puede trabajar con un altorendimiento.

2.3. Método de sección completa

Los métodos de sección completa se utilizan con mu-cha frecuencia en la excavación de pozos tanto de sec-ción rectangular como circular.

Las técnicas de disposición de los barrenos son di-versas, pues de forma similar a lo que sucede en elavance de túneles y galerías, es necesario crear inicial-mente con algunos barrenos una superficie libre, a noser que se disponga de un taladro de gran diámetro ochimenea de expansión. Los tipos de voladuras emple-ados son: con cuele en «V», cónico, paralelo y con ba-rreno de expansión.

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Figura 23.3. Esquema de perforación en pozo de secciónrectangular.

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Los cueles en «V» se aplican a los pozos con secciónrectangular. Los planos de los diedros formados por losbarrenos inclinados entre 50° y 75°, deben tener direc-ciones paralelas a las discontinuidades, a fin de aprove-charlas en el arranque.

Los cueles cónicos son los más empleados en los po-zos circulares, debido, por un lado, a la facilidad conque se puede mecanizar la perforación de los barrenosy por otro, al menor consumo de explosivo con respectoal cuele de barrenos paralelos. Los taladros se dispo-nen formando en la parte central diversas superficiescónicas invertidas tal como se indica en la Fig. 23.4.

Tanto la profundidad de las pegas como el númerode barrenos dependen de un gran número de variablescomo son: el tipo' de terreno, el diámetro de las cargasde explosivo, esquema de voladura, tipo de cuele, orga-nización de los trabajos y sobre todo sección de la ex-cavación.

No pueden darse pues unas reglas concretas paralas dos variables de diseño citadas, ya que será precisoajustarlas en cada caso. A título de ejemplo, el númerode barrenos necesarios en la ejecución de una grancantidad de pozos en Sudáfrica, utilizando cargas de32 mm de diámetro, puede estimarse con la siguienteexpresión (Espley-Jones y Wilson, 1979):

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NB= 2 Dp2+ 20 '-

siendo:

NB = Número de barrenos sin incluir los de contorno sise realizan voladuras especiales.

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Dp = Diámetro del pozo (m). '-----

En cuanto a la profundidad de perforación en cadapega, Wild (1984) recomienda partir de los valores indi-cadQs en la Fig. 23.5.

Este mi~mo autor aporta un gráfico sobre el consumoespecífico de explosivo en función de las dimensionesde los pozos. Fig. 23.6.

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326Figura 23.4. Esquemas de perforación con cueles cónicos,

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SUPERFICIE DEL POZO (m2)

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Figura 23.5. Profundidad de las pegas en funciónde la sección de los pozos.

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SUPERFICIE DEL POZO Cm2)

Figura 23.6. Consumo específico de explosivo en funciónde la sección de los pozos.

El cuele de barrenos paralelos trabaja de formasemejante a como lo hacen en las galerías o túneles,Fig. 23.7. Los resultados que se han obtenido hasta lafecha son interesantes, presentando la ventaja adicio-nal de una mayor sencillez de la perforación.

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Figura 23.7, Método de barrenos paralelos.

Una variante de la anterior la con$tituyen las voladu-ras con barreno central de gran diámetro o chimenea.En estos casos se dispone de una cara libre más efecti-va que favorece la rotura y desplazamiento de la roca,así como su carga.

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Figura 23.8. Voladura con chimenea central.

En lo referente a los explosivos, si se utilizan encartu-chados, la relación entre el diámetro de los barrenos yel calibre de los cartuchos pequeños debe estar entre1,2 Y 1,25, o disponer de una holgura de unos 10 mm enlos grandes. El empleo de hidrogeles a granel es el sis-tema ideal para reducir el número de barrenos o apro-vechar al máximo la perforación.

La conexión de los detonadores se realiza en la ma-

yoría de los casos en paralelo, disponiendo los circuitosen forma de anillos. Fig. 23.9.

UNEA DE TlRD

Figura 23.9. Anillos de conexión en una voladuraen pozo.

327

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3. VOLADURAS EN CHIMENEAS

Se denominan chimeneas a aquellas excavacionescon dimensiones reducidas y una inclinación superior a45°. Las longitudes de estas labores, que son típicasen minería, son variables y pueden llegar a superar los100 m. Sirven para unir galerías a distinto nivel cerran-do los circuitos de ventilación, para el paso del mineraly estériles, para las aperturas iniciales en las explota-ciones por subniveles, etc. En obras civiles también sontrabajos que se realizan con frecuencia, sobre todo enlas centrales hidráulicas y depósitos de almacenamien-to subterráneos.

La excavación de chimeneas ha constituido hastaépocas recientes una de las labores que presentabanmayores dificultades en el arranque con perforación yvoladura, hasta la aplicación de los sistemas de barre-nos largos.

Los métodos de ejecución se clasifican en dos gran-des grupos, según que la perforación se realice en sen-tido ascendente o descendente:

- PerforaciónAscendente.Manual,con jaula Jorao con plataforma Alimak.

- Perforación Descendente. Barrenos largos concuele de taladros vacíos, con cuele cráter, voladu-ras "VCR» y método mixto.

3.1. Métodos con perforación ascendente

Estos métodos eran los tradicionales y los únicosexistentes hasta la aparición de los métodos de barre-nos largos.

A. Método clásico manual

Se aplica en explotaciones pequeñas donde el núme-ro de labores a realizar no justifica la inversión en equi-pos especiales y las chimeneas son de reducida longi-tud.

Figura 23.10. Excavación manual de chimeneas.

328

'-El método consiste en ir levantando una estructura

interior de madera, simultáneamente al avance de laexcavación, de forma que sirva no sólo de sostenimien-to sino incluso de plataforma de trabajo desde la cualse realiza la perforación de los barrenos con martillo demano y empujadores. Esas estructuras se construyencon unas pasarelas de servicio como las de la Fig.23.10.

Los barrenos se suelen disponer en "V» o en abani-co con unos avances por pega de 1,5 a 2 m y secuen-cias de encendido como la indicada en la Fig. 23.11.

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Figura 23.11. Esquema de perforación y secuencia deencendido en una chimenea con el método manual.

Este método resulta competitivo en minas pequeñas,pero las condiciones de trabajo son difíciles y requiereun personal muy experimentado.

B. Método de la Jaula Jora

Este sistema se ha descrito anteriomente en el capí-tulo de equipos especiales de perforación. Consta deuna jaula que va suspendida de un cable que pasa através de un taladro central perforado antes de comen-zar la excavación de la chimenea.

Los barrenos se perforan generalmente paralelos uti-lizando el orificio central de mayor diámetro como cue-le, consiguiendo avances por pega de 3 a 4 m, Fig.23.12.

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Figura 23.12. Diseño de voladura con barreno central degran diámetro.

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El barreno central, además de servir como hueco deexpansión en la voladura, resulta ventajoso desde el

/ puntodevista de laventilación.

C. Método de la plataforma Alimak

Consiste en una jaula con plataforma de trabajo quese desliza a lo largo de unas guías fijadas a la pared de

, la chimenea.La perforación se realiza mediante martillos pesados

y empujadores en barrenos paralelos, consiguiéndoseavances por pega de hasta 3 m. En la Fig. 23.13 se in-

I dicaunesquematípicode disparo.

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Figura 23.13. Esquema de disparo con barrenos paralelos.

Una vez efectuada la pega se ventila el fondo de lachimenea inyectando aire comprimido yagua pulveriza-da. A continuación, se sube la plataforr.la y se procedeal saneo del techo reiniciándose de nuevo el ciclo detrabajo.

3.2. Métodos con perforación descendente

Los métodos anteriores presentan los siguientes in-convenientes:

- Se desarrollan con ciclos completos de gran dura-ción, perforación, voladura, ventilación y saneo, ypor tanto los rendimientos son bajos debido a lostiempos muertos.

- Requieren mucho personal y bastante especializado.- Las condiciones de seguridad e higiene no son bue-

nas.- El coste de ejecución es generalmente alto.

Para solventar estos problemas, en la década de losaños 70 se iniciaron diversas experiencias perforandolos barrenos en toda la longitud de la chimenea y efec-tuando después las voladuras por fases mediante car-gas colgadas.

Lógicamente, estos métodos exigen una gran exacti-tud de la perforación, lo cual ha llevado a los fabrican-

tes al diseño de equipos y accesorios especiales.Actualmente, las desviaciones pueden mantenerse pordebajo del 2% con perforadoras de martillo en cabeza ydel 1% con las de martillo en fondo.

A. Método del cuele de barrenos vacíos

Esta técnica, que se desarrolló en el avance de túne-les y galerías, fue la que primero se aplicó en chimene-as con barrenos largos.

Los barrenos se perforan con equipos de martillo encabeza con diámetros entre 51 y 75 mm ensanchandolos taladros centrales hasta 100 ó 200 mm de diámetro.

Los barrenos se disponen, generalmente, en seccio-nes cuadradas que se disparan por fases en tramos de2 a 4 m; primero la zona del cuele y a continuacíón laszonas de franqueo, Fig. 23.14, si bien cuando se poseeuna gran experiencia es posible ejecutar la voladura aplena sección utilizando detonadores de microrretardoen el cuele y de retardo en la destroza.

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GALERIA DE CABEZA

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Figura 23.14. Secuencia de avance de una chimenea.

Debe evitarse el gran confinamiento de las cargas afin de que no se produzca la sinterización de la roca. Elcierre inferior de los barrenos se realiza con cualquierade los métodos descritos en el Capítulo de Voladurasde Producción en Minería Subterránea, y el retacado serecomienda hacerla con agua para eliminar atascos.

Los esquemas de los barrenos del cuele pueden esti-marse con la siguiente expresión:

S = 0, + 1,25 x 02

329

siendo:

s = Espaciamiento entre barrenos (mm).D, = Diámetro de los barrenos con carga (mm).D2 = Diámetro del barreno central vacío (mm).

y los barrenos de las secciones de franqueo con la ecua-ción siguiente:

s = 10 X D, + 500

En cada sección la piedra se aconseja que no sea ma-yor que la anchura del hueco contra el cual rompe cadabarreno.

Las concentraciones lineales de carga en los barrenosdel cuele y destroza se determinan con las dos siguien-tes expresiones:

q = 0,03 X D, - 0,85q = 0,0125 X D, + 0,26.

donde:

q = Concentración lineal de carga (kg/m).D, = Diámetro de los barrenos (mm).

En la Fig. 23.15 puede verse el esquema de tiro de los

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Figura 23.15. Esquema de perforación y secuencia de encendi-do en chimenea con barreno central de gran diámetro.

330

'---'barrenos de cuele y primera sección de destroza de unachimenea donde el barreno central de expansión es 'de150 mm.

El contorno de las chimeneas puede perfilarse con vo- ~laduras de recorte disponiendo los barrenos con un es-paciamiento medio de «13D».

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B. Método del cuele Cráter'--

Consiste en abrir una cavidad de aproximadamente1 m2 con cinco barrenos de diámetros comprendidos en-tre 65 y 102 mm colocando las cargas de explosivo paraquetrabajenen formadevoladurasencráter. ""--'

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Figura 23.16. Esquema de perforación en el método del cuelecráter. '--

Una vez efectuado el cuele en toda su longitud se llevaa cabo la destroza, empleando los esquemas y las car-gas indicadas en el método anterior.

La configuración y situación de las cargas se determi-nan mediante la teoría de Livingston:

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- La longitud de la columna de explosivo debe ser me-nor de «6D» para que actúen como cargas esféricas.

- La profundidad óptima de la carga es aproximada-mente el 50% de la profundidad crítica:

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Do= 0,5 De'-

- Según la teoría de Livingston la profundidad críticavale: '-

De= E,x Q"3

donde:'-

E,= Factor de Energía-Tensión.Q = Carga de explosivo (kg).

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- La cantidad de carga «Q» en el barreno, para unadensidad de explosivo «Pe », vale:

"--

3xnxD3 '-Q= X pe2

tomando un valor medio de Pe = 1,3 g/cm3 resulta '--

',-

J

que la profundidad óptima en función del diámetro del~ barrenoes aproximadamente:J

Do=13,7D

J "Do» es la distancia entre la cara libre y el centro degravedad de la carga en el barreno central. En el resto

, de los barrenos la profundidad aumenta en escalones

J de unos 10 a 20 cm. Los barrenos no deben estar de-masiado próximos para evitar la sinterización de laroca.

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./Figura 23.17. Secuencia de encendido y distancia de las

cargas a la cara libre.

./Las ventajas del sistema del cuele cráter frente al

método del cuele paralelo son las siguientes:

./ - Menores costes de perforación, al ser el número debarrenos inferior y eliminar el ensanchamiento porescariado del barreno central, y

- No se precisa una perforación tan exacta../

C. Método-"VCR»./

./

Paralelamente éf la difusión del método de CráteresInvertidos, en la explotación de yacimientos metáli-cos se desarrolló el sistema de ejecución de chime-

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TABLA 23.1./

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./

./

./

./

neas "VCR», que se basa en los mismos principios queel método del cuele cráter.

En este caso los barrenos, con diámetros semejantes

a los que se utilizan en las voladuras de producción, sedisponen en secciones cuadradas con las cargas deexplosivo a la misma altura. En la Tabla 23.1 se reco-gen dos ejemplos reales debidos a Lang (1981), emple-ando hidrogeles de alta densidad.

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Figura 23.18. Esquema de voladura en chimenea conel método "VC».

Las ventajas que ofrece este método frente al anteriorson:

- Menores costes de perforación y menor número debarrenos.

- Mayor facilidad de carga del explosivo.- Ejecución de la chimenea en una sola fase y, por

consiguiente, menor tiempo de excavación, y- Posibilidad de perforar con los equipos de produc-

ción de martillo en fondo.

En la Fig. 23.19 se representa el esquema de perfora-ción que se ha utilizado en la mina de Rubiales, para laexcavación de chimeneas con barrenos de 165 mm

(6'/2"). Dicho esquema está constituido por dos mallas

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COTAS EN m

Figura 23.19 Esquema de perforación de una chimeneade 2 m de diámetro con barrenos de 165mm (Caste/ls, 1991).

331

DIAMETRO DELBARRENO (mm)

114 165

Sección de la chimenea 2,40 x 2,40 3,60 x 3,60

Espaciamiento - S (m) 1,20 1,80

Carga de hidrogel porbarreno.. Qb(kg) 12 30

Longitud de retacado-T (m) 1,5 1,8

Avance por pega-x (m) 2,10 3,0

hexagonales y otra interior triangular. Estas chimeneasse utilizan para la explotación de las cámaras disparan-do las voladuras de producción hacia el frente abiertopor éstas.

En la Tabla 23.2 se recogen algunos datos de interésde las citadas voladuras.

TABLA 23.2

Diámetro de perforación ..............................Distancia de la carga al cielo de la cámara..Longitud de carga........................................Relación longitud (diámetro de carga) .........Carga total de explosivo ..............................Tipo de explosivo.........................................

165 mm1 m1m6

21 kgHidrogel

encartuchado

3 (7 kg)3m

Número de cartuchos ..................................

Avance por pega..........................................

D. Método combinado

Consiste en la apertura, mediante Raise-Boring, deuna chimenea piloto de un diámetro de 1 a 2 m y utiliza-ción posterior de dicha labor como hueco de expansión.

El método es aplicado en los grandes proyectos sub-terráneos de obra pública y en la excavación de pozoso chimeneas de gran sección.

Las ventajas principales que presenta son:

- Esquemas amplios de perforación y, por consiguien-te, costes bajos.

- Cargas de explosivo relativamente pequeñas y, porlo tanto, menores daños a la roca remanente.

- Posibilidad de ejecutar el disparo de toda la chime-nea de una sola vez.

En la Fig. 23.20 se indica el esquema y la secuenciade encendido de una voladura por este procedimiento.La distancia del primer barreno al hueco excavadomecánicap1entedebe ser pequeña, pues el frente librees cóncavo y la roca se encuentra bastante sana des-pués de dicha excavación.

BIBLlOGRAFIA ,.1'

- ATLAS COPCO: «El Cuele Cráter en la PerforacióndeChimeneas».

- CASTAÑON, C. y CASTELLS, E.: «Métodos de Perforacióny Voladuras empleados en la Mina de Rubiales». IVSeminario de Ingeniería de Arranque de Rocas conExplosivos en Proyectos Subterráneos. Fundación Gómez-Pardo. 1990.

- ESPLEY-JONES, R. C., and WILSON, J. C. B.: «SouthAfrican Blasting Practice in Shaft Sinking». SEE, 1979.

332

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Figura 23.20. Disparo de voladura con hueco central degran diámetro.

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Foto 23.1 . Excavación vertical de destroza aprovechando lasuperficie libre de una chimenea perforada por Raise

Borer (Central Hidráulica de Saucelle. Chimeneade equilibrio).

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'-..

- GUSTAFSSON, R.: «Técnica Sueca de Voladuras». SPI,1977.

- LANG, L. C.: «Driving Underground Raises with VCR».SEE, sept. 1981.

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