Capítulo 25~

...J

VOLADURAS DE CONTORNO-./

-./

-.-/1. INTRODUCCION

-/ La energía no aprovechada en el proceso de frag-mentación y desplazamiento de la roca, en algunoscasos superior al 85% de la desarrollada en la vola-dura, reduce la resistencia estructural del macizo ro-

-/ coso fuera del ámbito de actuación teórica del corte.Se crean nuevas fracturas y planos de debilidad y lasjuntas, diaclasas y planos de estratificación, que ini-

/ cialmente no eran críticas, al ser abiertas provocan unareducción de la cohesión del macizo. Esto se mani-fiesta en forma de sobreexcavación, dejando al macizofracturado en un estado de colapso potencial.

J Las consecuencias negativas que se derivan de estehecho son las siguientes:

J - Mayor dilución del mineral con estéril en las zonasde contacto en las minas metálicas.

- Aumento del coste de la carga y el transporte de-bido al incremento del volumen del material deexcavación.

- Aumento del coste de hormigonado en las obrasciviles: túneles, centrales hidráulicas, cámaras dealmacenamiento, zapatas, muros, etc.

- Necesidad de reforzar la estructura rocosa residualmediante costosos sistemas de sostenimiento:bulonado, mallado y gutinado, cerchas metálicas,etc.

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../ PIEDRA

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~ VOLADURAOE~ PRODUCCIONCONVENCIONAL

SDSREEX/"""'/ -- -- --- ---/ ~RACTUR

DE CRESTA~

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TALUD! < TALUD!'

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, Figura 25.1. Daños provocados en el talud por las voladuras./ de producción y aplicación de las voladuras de contorno.

./

Se precisa sanear y mantener el macizo residualcon un mayor riesgo para el personal en operación.

- Aumenta el aporte de agua a la zona de trabajodebido a la apertura y prolongación de las fracturasy discontinuidades del macizo rocoso.

Además, en minería a cielo abierto, el control de lasvoladuras en los taludes finales de explotación puedereportar las siguientes ventajas Fig. 25.1.

- Elevación del ángulo del talud, consiguiéndose unincremento de las reservas recuperables o unadisminución del ratio de desmonte (estéril/mine-ral).

- Reducción del riesgo de desprendimientos par-ciales de talud, minimizando la necesidad de ber-mas anchas y con una repercusión positiva sobre laproductividad y seguridad en los trabajos de ex-plotación.

Foto 25.1. Diferencia entre talud excavado con voladurade precorte (derecha) y voladura convencional de produc-

ción (izquierda).

Paralelamente, en trabajos subterráneos la aplica-ción de las voladuras de contorno tiene además lassiguientes ventajas:

- Menores dimensiones de los pilares en las explota-ciones y por consiguiente mayor recuperación delyacimiento.

351

- Mejora de la ventilación, debido al menor roza~

miento del aire en las paredes de las galerías.

- Menor riesgo de daños a la perforación adelantada.

Así pues, los esfuerzos destinados a la aplicación delas voladuras de contorno en las obras subterráneas y acielo abierto quedan ampliamente justificados tantopor motivos técnicos como económicos y de seguri-dad.

2. MECANISMOS RESPONSABLES DE LASOBREEXCAVACION

Los mecanismos responsables de los fenómenos desobreexcavación y fracturación del macizo rocoso es-tán estrechamente ligados a los propios de rotura de laroca que se desarrollan durante la voladura y que hansido expuestos en el Capítulo 16.

Para controlar la sobreexcavación debe intentarse:

- No sobrepasar la resistencia a compresión diná-mica de la roca que rodea a la carga de explosivo.

- Mantener un nivel de vibraciones en el macizo resi-

dual que no genere roturas por descostramiento.

- Utilizar explosivos adecuados al tipo de roca, paraevitar la apertura de fisuras por un exceso de volu-men de gases.

A continuación, se analizan brevemente los princi-pales mecanismos de rotura causantes de la sobreex-cavación.

2.1. Rotura por sobretrituración y agrietamiento

Alrededor del barreno frecuentemente se forma unazona anular triturada o de material intensamente com-primido. Esto sucede cuando la tensión máxima de laonda de compresión radial, que se expande cilíndrica-mente, excede a la. resistencia a la compresión dinámi-ca o umbral plástico del material rocoso.

Cuando el frente de la onda de tensión se propaga, unvolumen cilíndrico de roca alrededor del barreno essometido a una intensa compresión radial, desarrollán-dose esfuerzos de tracción tangenciales. Si estas ten-siones superan a la resistencia dinámica a tracción de laroca, se forma una zona con una alta densidad de frac-turas radiales. Esta zona termina de forma brusca a unadistancia en la que la tensión tangenciarde la onda yano es capaz de generar nuevas grietas.

2.2. Rotura por descostramiento

Cuando la onda de compresión alcanza un frente libreefectivo, al reflejarse se crea una onda de tracción. Si

esta onda es suficientemente intensa se produce el des-costramiento o «spalling» que se propaga desde dichofrente libre hacia el barreno.

El nivel de vibraciones producido en una voladurapuede producir la rotura por descostramiento si la ten-sión producida supera la resistencia dinámica a latracción de la roca:

E° = v x - = p, x v x VC

VC

352

'------

donde:

°vEVC

= Tensión inducida en la roca.

= Velocidad de partícula transmitida a la roca. '-...-= Módulo de elasticidad de la roca.

= Velocidad longitudinal de propagación dela roca. "'--

= Densidad de la roca.p,

Hay que tener en cuenta la influencia de la naturaleza "----del relleno de las juntas y planos de discontinuidad,estableciéndose los valores de tensión de la onda

transmitida y reflejada. '------

o;

°1 = 2 1+ nz'

1 - nz'

o, = 0¡ 1 + nz' '--donde:

nz' = Relación de impedancias de la rocay el relleno.TensiÓn de la onda incidente.

= Tensión de la onda transmitida.o, = Tensión de la onda reflejada.

'--

o.I

o, '--

La determinación de la velocidad de partícula críticapuede efectuarse a parti r de la ecuación: '--

ve,¡,RT'

p, x VC ',--

Como cifras orientativas se dan las velocidades de

partícula críticas para diferentes tipos de roca, Tabla~.1. ~

TABLA 25.1 '--

,

'--

'----

'--

'--

2.3. Apertura de las grietas por acción de los ga-ses

'--La acción de los gases a alta presión y tempera-

tura, abriendo las fracturas preexistentes y las crea-das por la onda de compresión, pueden afectar engran medida al control de la sobreexcavación, por loque en rocas blandas y muy fracturadas deberán uti-lizarse explosivos que produzcan un pequeño volu-men de gases.

'---

'---

'--

VELOCIDAD DETIPOS DE PARTICULA CRITICA

ROCA/JUNTAS (mm/s)

. Rocas blandas, juntasdébiles 400

. Rocas medias a duras

y juntas débiles 700 - 800

. Rocas duras y juntasfuertes y cerradas 1000

.J3. TEORIA DE LA VOLADURA DE CONTORNO

.J Una carga que llena completamente un barrenocrea, durante la detonación del explosivo y en la pro-ximidad de la carga, una zona en la que la resistenciadinámica a comprensión es ampliamente superada y

.J la roca es triturada y pulverizada. Fuera de esa zonade transición, los esfuerzos de tracción asociados ala onda de compresión generan un esquema de

-.-/ grietas radiales alrededor de todo el barreno.Cuando son dos las cargas que se disparan simultá-

neamente, esas grie'tas radiales tienden a propagarse

J por igual en todas las direcciones hasta que, por coli-sión de las dos ondas de choque en el punto medioentre barrenos, se producen unos esfuerzos de trac-ción complementarios y perpendiculares al plano axial

-.-/ Fig. 25.2. Las tracciones en dicho plano superan laresistencia dinámica a tracción de la roca, creando un

-~ nuevo agrietamiento y favoreciendo, en la direcciónJ del corte proyectado, la propagación de las grietas

radiales.

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Figura 25.2. Estado de tensiones generado por la superpo-J sición de las ondas de choque producidas por el disparo

simultáneo de dos cargas.

J

Posteriormente, la extensión de las grietas se pro-

duce bajo la acción de cuña de los gases de ex'Plosión

./ que las invadeny se infiltran en ellas. La propagaciónpreferencial en el plano axial junto con el efecto deapertu ra por la presión de los gases, permiten obtenerun plano de fractura de acuerdo con el corte diseñado.

La presión de los gases es el elemento clave en laejecución de una voladura de contorno, por ello de-berá mantenerse hasta que se complete la unión de

j las grietas que parten de barrenos adyacentes, lo quese conseguirá adecuando la longitud de retacado

" para evitar el escape de los gases a la atmósfera.../ Puede pues, concluirse que el mecanismo de una

voladura de contorno comprende dos fenómenos dis-tintos, uno derivado de la acción de la onda de choquey otro de la acción de los gases de explosión, pero que

j entre ambos se guarda un nexo causal.

../

../

4. TIPOS DE VOLADURAS DE CONTORNO

Son muchas las técnicas de voladuras de contornodesarrolladas desde los años 50, pero en la actualidadlas más usadas son:

- Voladuras de precorte.

- Voladuras de recorte.

- Voladuras amortiguadas.

4.1. Voladuras de precorte

Consiste en crear en el macizo rocoso una disconti-nuidad o plano de fractura antes de disparar las vola-duras de producción, mediante una fila de barrenos,generalmente de pequeño diámetro, y con cargas deexplosivo desacopladas.

El disparo de los barrenos de precorte se puederealizar simultáneamente con los de destroza peroadelantándose un intervalo de tiempo de 90 a 120ms. Fig. 25.3.

11~

['2m \/ iRETACAg°-j

MACIZOROCOSO'i~~~\"-1

~r',L.'OJJ.

/ \'~~BARRENOSSOBRE K:CABEZA DE BANCO SIN

\SOBREPERFORACION

~

. Figura 25.3. Ejemplo de voladura de precorte.

4.2. Voladuras de recorte

Consiste en la voladura de una sola fila de barrenoscon cargas de explosivo desacopladas.

Esta técnica implica un arranque de roca hacia unfrente libre, por lo que el espaciamiento de las cargas

353

es mayor que en el caso anterior y resulta un menorcoste. Fig. 25.4.

En minería a cielo abierto cuando los barrenos de

recorte tienen el mismo diámetro que los de produc-ción, esta técnica se conoce con el nombre de «Trimblasting».

TALUD

FigL;ra 25.4. Ejemplo de voladura de recorte.

4.3. Voladuras amortiguadas

Son voladuras semejantes a las convencionales,donde se ha modificado el diseño de la última fila, tantoen el esquema geométrico que es más reducido comoen las cargas de explosivo que suelen ser menores ydesacopladas. Fig. 25.5. V'

4.4. Perforación en línea

La perforación en línea es una técnica de fractura queutiliza barrenos vacíos de 35 a 75 mm espaciados entresí una distancia de 2 a 4 veces el diámetro. Estas perfo- .raciones tan próximas unas de otras pueden actuar encondiciones geológicas adecuadas como concentrado-ras de tensiones o guía de las grietas para crear unplano de fractura entre ellas.

La precisión de la perforación es muy importante paraobtener buenos resultados, así como la homogeneidadde las rocas pues de lo contrario las fracturas naturalesdel macizo rocoso tienden a crear un plano de debilidad

354

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1\BARRENOSSOBRE / ! \CABEZA DE BANCO \ ~

SIN SOBREPERFORACION \ \ \ I\ \\ /" \V

FilAS DE PRODUCCIOND'3IOmmCARGA

460 KO SIN SOBREPERFORACION580 KO CON SOBREPERFORACION

'--

'--

Figura 25.5. Ejemplo de voladura amortiguada.'-

"-

más fácilmente que el constituido por los barrenos per-forados.

Las voladuras de destroza deben ser del tipo amorti-guadas con piedras y espaciamientos en la fila más pró-xima al plano de barrenos vacíos entre un 50% y un75% de los convencionales. Igualmente, las cargas sereducirán hasta un 50% de las convencionales.

La principal ventaja de esta técnica es su aplicabilidadcuando cargas muy pequeñas pueden causar daños pordetrás del límite de excavación. Por el contrario, los "-inconvenientes son los resultados inciertos en formacio-

nes rocosas heterogéneas, el alto coste y tiempo deperforación y la necesidad de precisión en la realizaciónde los barrenos. "-

5. "PARAMETROS QUE INTERVIENENUNA VOLADURA DE CONTORNO

EN

5.1. Propiedades de las rocas y de los macizos ro-cosos

"Las propiedades de los macizos rocosos tienen

una marcada influencia tanto en el diseño como enlos resultados de las voladuras de contorno. Las pro-piedades más destacables son:

"

- Las resistencias dinámicas a tracción y compre-sión.

- Nivel de alteración de la roca.

- Grado de fracturación, espaciamiento de discon-tinuidades, orientación de las fracturas y rellenode las mismas.

- Tensiones residuales del macizo rocoso.

Algunos aspectos prácticos que deben tenerse encuenta son los siguientes:

- En las formaciones masivas homogéneas, los re-sultados de las voladuras de contorno llegan aser espectaculares. Por el contrario, en macizosfracturados se observa que el agrietamiento in-ducido al superar la resistencia dinámica a trac-.ción de la roca representa un porcentaje mínimoen la sobreexcavación, si se compara con los da-ños producidos por la acción de cuña de los ga-ses.

- Si los barrenos cortan algún sistema de disconti-nuidades y las tensiones inducidas no son sufi-cientes para conformar una distribución de grie-tas radiales, la superficie de rotura estará marca-damente influenciada por las fisuras naturales y,con mayor probabilidad, aparecerá sobreexcava-ción.

En este caso, se recomienda aumentar ligera-mente la concentración de carga para generar unconjunto de pequeñas grietas radiales y conse-guir, con alguna de éstas, orientar el plano decorte. Si las discontinuidades naturales intersec-

tan longitudinalmente a las cañas de los barre-nos, esa modificación será infructuosa.

- Si las discontinuidades del macizo rocoso se pre-sentan cerradas o con material de relleno, la so-breexcavación producida es generalmente menor.

- La distribución espacial de las fisuras tiene un granpeso en la sobreexcavación, especialmentecuando la distancia mepia entre discontinuidadeses menor que el espaciamiento entre barrenos y/olongitud de retacado. En este caso, se recomiendacerrar el esquema con el fin de reducir el efecto delcontrol estructural.

- Según la orientación del corte proyectado, conrespecto a las discontinuidades estructurales pre-dominantes, pueden diferenciarse los casos que sepresentan en la Fig. 25.6. d'

En formaciones estratificadas, en las que la direc-

ción de los planos de discontinuidad coincide conla traza del talud proyectado, puede producirse unasobreexcavación por deslizamientos planos si lainclinación de los estratos varía entre 25° y 65° Y

por fenómenos de vuelco o «toppling» si varíaentre 85° y 110°. Fig. 25.7. Cuando las juntas sonparalelas al plano del talud, puede obtenerse unfrente sano con relativa facilidad.

- La presencia de agua en los barrenos, puede redu-cir la eficiencia del desacoplamiento de las cargasal transmitir un mayor esfuerzo de tensión a la rocacircundante.

- Las coqueras u oquedades del terreno intersecta-das por los taladros provocan una caída de la pre-

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'\\ \\\\\ \\ \ \\\ \ \ \ \\,\ "'\. '\ \ '" \\. \\ \ \ \ \ \ \ \\

\\\\\\ A \ \\\\ \40-85°

Figura 25.6. Influencia de las discontinuidades en el planode corte.

Figura 25.7. Discontinuidades con rumbo paralelo al planode excavación.

Figura 25.8. Influencia de los ángulos formados por la es-tratificación sobre las leyes de propagación de las vibracio-

nes.

355

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II 2 4 6 8 10 20 40 60 100

DISTANCIA REDUCIDA (m IKg 112)

sión del barreno que puede repercutir en el éxito dela excavación. En tales circunstancias, se reco-mienda rellenar con material granular los huecos eincluso aumentar ligeramente la densidad decarga.

- Elángulo formado por la dirección de propagaciónde las ondas con respecto a la estratificación in-fluye en las leyes de propagación de las vibracionesgeneradas en las voladu ras y transmitidas a travésdel macizo rocoso. Fig. 25.8.

- Las tensiones in situ del macizo rocoso en el quese desea ejecutar la voladura de contorno puedenllegar a hacer impracticable el precorte, ya que seprecisaría una presión de barreno muy elevadapara superar tales tensiones. Una solución con~-siste en la ejecución de un recorte, una vez reali-zada parte de la excavación que sirve para des-comprimir y liberar de tensiones al macizo rq-coso. Fig. 25.9.

'1",BARRENOS DE PRECORTE

BARRENOS DE RECORTE

Figura 25.9. Eliminación de tensiones mediante una exca-vación piloto y realización parcial de un recorte (Calder y

Bauer).

5.2. Propiedade~ del explosivo

La presión de barreno, que es la presión ejercida enla expansión de los gases de detonación, puede esti-marse para cargas acopladas a partir de la ecuación:

VD2

PB = 228 x 10- 6 X Pe X 1 + O,8pe

donde:.r

PB - Presión de barreno (MPa).Densidad del-explosivo (g/cm 3).Velocidad de detonación (mis).

PeVD

Así las tensiones inducidas en la roca circundanteson proporcionales a «PB". Por esto,reduciendo dichapresión, hasta niveles acordes con la resistencia de laroca, se conseguirá disminuir la sobreexcavación_y laintensidad de las vibraciones. --

Si la selección del explosivo no es suficiente paraadecuarse a las condiciones de trabajo, los técnicostienen a su alcance varios sistemas para reducir avoluntad la presión de barreno:

356

',-1.0 Mediante la incorporación al explosivo de mate-

riales inertes que contengan aire, tales como el

poliestireno expandido, serrín, espuma, etc. La ',,-disminución de «Pe" tiene una influencia en «PB"mayor que la indicada por la ecuación anterior,pues al bajar la densidad también lo hace la veloci-dad de detonación.

2.D Aprovechando el efecto del diámetro de la cargasobre la velocidad de detonación puede contro-larse «PB". Si el diámetro del barreno es inferior al "-

diámetro crítico del explosivo, la velócidad de de-tonación de éste, y consecuentemente la presióndel barreno, caen drásticamente.

3.° Interponiendo un volumen de aire entre la carga yla pared del barreno que ejerza un efecto de col-chón o amortiguador sobre «PB". Esto se consi- "-

gue dejando un hueco anular sin carga y si no essuficiente espaciando los cartuchos a lo largo delbarreno. Fig. 25.10.

'......

'-

'--

~-~ '--

i~ ( \

~Meo ~

o

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~TIEMPO

'~

Figura 25.10. Efecto del desacoplamiento sobre la curvatensión-tiempo. .~

El efecto amortiguador sobre «PB", al expansio-narse los gases en la cámara de aire, puede cuantifi-carse a partir del cociente entre el volumen de explo-sivo y volumen de barreno elevado a una potencia 1,2,que es aproximadamente el ratio de los calores espe-cíficos de los gases de explosión, así resulta:

'-.

PBe = PB x [ ~: J,2 = PB x [~ ~ ]2.4

'-

donde: '-

d = Diámetro de la carga.D = Diámetro del barreno.CI = Cociente entre la longitud de la carga y la lon-

gitud del barreno (C1 = 1, para cargas conti-nuas).

'-

5.3. Explosivos utilizados en voladuras de con-torno

A. Cargas convencionales

Las primeras cargas utilizadas en voladuras de con-torno consistían en cartuchos de dinamita adosados a

. . . 4 -

'O. . i -

..::.-:

. ... . -. . .

. . . 1- ". \!,,' ,,". , '-','. -/1 11 ¡! I! ',"MINIMA

../un cordón detonante y espaciados entre sí hasta con-seguir la densidad de carga adecuada. Posterior-mente, se han comercializado unos accesorios como

../ los tubos omega, Foto 25.2, que facilitan la distribuciónde la carga.

J

./

J

./

,./

Foto 25.2. Tubos Omega (ICI).

../

B. Cartuchos especiales../

Los fabricantes de explosivos han sacado al mer-cado diversos cartuchos de diseño especial para faci-

./ litar y agilizar la carga de los barrenos. Así, por ejem-plo, en algunos países se encuentran explosivos debaja densidad encartuchados en tubos largos de redu-cido diámetro (normalmente, de 550 y 600 mm de lon-

./ gitud y de 11,17 Y 22 mm de diámetro) que puedenacoplarse por sus extremos, lo que permite al artilleroformar con rapidez columnas de carga continuas de lalongitud deseada, Fig. 25.11. En el extremo inferior de

./

/

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/

/CORDONDETONANTE

/,

/

50 -75mm 100mm

Figura 25.11. Diversos diseños de carga en barrenos de contorno en función del diámetro.

150mm 250 -300mm

la columna se colocan varios cartuchos de fondo y,en ocasiones, toda la carga se rodea con un cordóndetonante que se desarrolla en espiral.

Actualmente, en España se dispone de papillas ex-plosivas encartuchadas (Riogur) en forma de man-guera flexible, en calibres de 17 y 19 mm, o en cartu-chos de acoplamiento rígido con unas concentracio-nes de carga de 250 g/m y 300 g/m respectivamente.

Las mangueras explosivas se adaptan bien a lascondiciones de los trabajos a cielo abierto, mientrasque los cartuchos rígidos acoplables son más adecua-dos para los trabajos subterráneos.

c. Cordones detonantes

Recientemente, han aparecido en el mercado, comoalternativa a los cartuchos especiales, cordones deto-nantes de alto gramaje. En España existen de 40, 60 Y100 g de pentrita por metro: con ellos se pretendeconseguir una mejor distribución de la energía, al ser

. columnas continuas, y facilitar la carga de las voladu-ras.

En el fondo de los barrenos se deben colocar unoscartuchos de goma o hidrogel. Foto 25.3.

Los cordones detonantes han venido utilizándose entrabajos de demoliciones y arranque de rocas orna-mentales donde se requieren cortes precisos y limpios,y últimamente con los cordones de alto gramaje en laejecución de excavaciones controladas con diámetrosde perforación de hasta 76 y 89 mm.

D. Mezclas diluidas y de baja densidad tipo ANFO

En las voladuras de contorno de gran diámetro eldesacoplamiento del ANFO a granel se consigue de

TUBO DEPAPE"L

CARTUCHO DEEXPLOSIVOCON ORIFICIOCENTRAL

CORDONOETONANTE

357

Foto 25.3. Colocación de la carga de fondo y el cordón dealto gramaje en un barreno de contorno.

forma muy efectiva con tubos o cartuchos de plástico,pero éste es un método caro y laborioso; en otrasocasiones se utilizan los espaciado res de madera, Fig.25.12. Pero, sin embargo, el procedimiento cada díamás extendido consiste en reducir la energía desarro-llada por el ANFO hasta alcanzar la equivalente a unacarga desacoplada. Tres sistemas son de práctica co-mún en la actualidad.

-./'

ORIFICIO DE PASO DEL

CORDON DETONANTE

Figura 25.12. Espaciador de madera para cargas de explo-sivo en barrenos de gran diámetro.

El primero, consiste en diluir el explosivo con clo-ruro sódico hasta un máximo del 20%. La sal tiene dos

funciones, primero como diluyente físico de la densi-dad de energia y segundo, como refrigerante del ex-plosivo, con lo que se reduce la velocidad de detona-ción y el calor de explosión. Mayores porcentajes alindicado pueden dar lugar a fallos, ya que incrementael diámetro crítico y reduce la sensibilidad a la inicia-

358

'-ción. Además, aunque la sal no reacciona química-mente con el ANFO, en la detonación, puede tener unefecto refrigerante excesivo dando lugar a combustio-nes incompletas y con humos tóxicos (Day y Webster, "-...-1982).

Elsegundo, que mantiene la densidad y es el menosextendido, se basa en reducir el contenido de combus- '-tible líquido por debajo de un 6%. Así, mientras que unANFO del 94/6 desarrolla una energía de 3780 J/g otroANFO con el 98,5/1,5 sólo desarrolla 2293 J/g.

El tercer procedimiento, hoy el más popular, con-siste en una mezcla de ANFO y bolas de poliestirenoexpandido de 0,5 a 3 mm, que denominaremos a partirde ahora ANFOPS. Este diluyente con una densidad de "-

0,03 kg/dm3 presenta unas características insupera-bles, con procesos de detonación fiables en barrenosde gran diámetro hasta con mezclas conteniendo un "-

volumen de poliestireno del 80%. Con estos com-puestos explosivos se consiguen concentraciones deenergía y densidades por metro de hasta e110% de las. "-que corresponden al ANFO puro. ASI, para una mezclade ANFOPS con una proporción volumétrica de 1:3 seobtiene una densidad de 0,2 t/m3, que para un barreno

de 310 mm, Fig. 25.13, da una presión doce veces '--

menor que el ANFO. Tanto la menor intensidad de laonda de choque como el menor volumen de gasesayudan a minimizar la sobreexcavación en las voladu- '--ras de contorno.

'-

'--

~ 2400oCL~o 2000ZwO::

~ 1600rnwoZ 1200Q(f)w

g: 800

'-

'-...

'-

400 '-

0,2 0,5 0,6 0,7 0,8

DENSIDAD ANFO (t 1m3)"-

0,3 0,4

Figura 25.13. Variación de la presión de barreno para dis-tintas mezclas de ANFO de baja densidad. "-

5.4. Precisión de la perforación '..

Si en cualquier tipo de voladura se debe cuidar lacalidad de la perforación en orden a obtener unosresultados óptimos, en el caso de voladuras de con-torno este punto es crítico, ya que los barrenos debenencontrarse en el plano o superficie que se desea con-seguir y mantenerse paralelos en la distancia que hayasido fijada en los cálculos.

Las causas de las desviaciones de los barrenos, su

influencia y las medidas correctoras son las siguientes:

"-

"

Mal replanteo de los barrenos. Esta operacióndebe realizarse siempre por personal cualificado ynunca por los perforistas.

Instalación incorrecta de la perforadora o brazo deljumbo, precisando en ocasiones un buen piso ni-velado y hasta hormigonado.

Alineación incorrecta de la deslizadera de la per-foradora cuando se perfora con inclinación, estoserrores pueden solventarse con el empleo de sis-temas de control automático de la dirección.

Emboquille defectuoso de los barrenos.

Condiciones geológicas desfavorables: esquisto-sidad, fracturas, coqueras y rocas alteradas.

Técnicas de la perforación propiamente dichas:

- Influencia del diámetro de perforación y delvarillaje, aumentando la desviación con la dis-minución de éstos.

- Empleo de estabilizadores, especialmente enterrenos fracturados y con coqueras.

- Control de la velocidad de rotación, a expensasde tener una disminución de la velocidad de

penetración.

- Influencia del tipo de boca de perforación.

- Calidad del varillaje utilizado.

./

/

/

Una vez finalizada la perforación, debe efectuarse

/ un control de la misma para comprobar la desviaciónde los barrenos. En minas de interior y con barrenosde gran diámetro (165 mm) puede llevarse a cabocon cámaras fotográficas tipo Eastman.

/

5.5. Geometría de la voladura y secuencia de ¡ni-/ ciación

Todo lo que se expone a continuación se refiere a lasvoladuras de precorte Y.recorte.

A. Diámetro de perforación

En túneles y obras subterráneas los diámetros deperforación más utilizados varían entre 32 y 65 mm,

/ realizándose algunas experiencias con barrenos dehasta 75 mm. En minería subterránea, y según el mé-todo de explotación, los diámetros varían entré 50 y 65

I mm, como por ejemplo en el «Método de subniveles»,llegando a los 165 mm en el «Método VCR» y «Métodode Barrenos Largos».

Se ha comprobado que el radio del cilindro de la roca/ que rodea al barreno y es afectado por la voladura es

directamente proporcional al diámetro del mismo,siempre que se mantenga una relación constante entre

I su longitud y diámetro.En la Fig. 25.14 se ve que el nivel de tensión inducida

a una distancia de 0,9 m del barreno, para un mismoacoplamiento de la carga, es para un diámetro de 2" (50mm) tres veces menor que para uno de 6" (165 mm).

En las obras a cielo abierto, los diámetros más utili-zados en el pasado en las voladuras de contorno seencontraban en el rango 35 a 75 mm. Aún hoy, esos

1" DISTANCIA AL PUr-?t'b"'DEDBSERVACION-6~

1,00,75

0,500,25

o~ jl I

~2 = 1'vIIII

~ ":

~ PARED BARRENO I{f;~-A:; ~

jO,50

0,25o

PARED BARRENO jO,50

0,25

O

0.50

0,25O

Figura 25.14. Tensiones dinámicas en la roca para distintascondiciones de carga (Day y Webster).

diámetros son populares en obras civiles y en peque-ñas explotaciones, pero en minas de gran tamaño seemplean cada vez diámetros mayores, llegando hasta

.Ios 310 mm (121/4>'), incentivadas por razones de tipoeconómico y de disponibilidad de maquinaria, aún aexpensas de conseguir peores resultados técnicos yestéti coso

Sin embargo, y especialmente en trabajos subterrá-neos, hay que tener en cuenta que un aumento deldiámetro de perforación trae como consecuencia in-mediata una elevación de los costes de sostenimientode la roca, debiendo encontrar la combinación diáme-tro-carga del barreno que proporcione un coste deexcavación y sostenimiento mínimo, como se observaen la Fig. 25.15.

1,2 COSTES DE SOSTENIMIENTO

----...-10.------a '>~..J 0,8wD::

W

tñ 0,6'au

COSTES DE EXCAVACIONI I

0,4

0,2

32 22 17DIAMETRO DE CARGA (mm)

11

Figura 25.15. Influencia del diámetro de la carga sobre loscostes de excavación y sostenimiento (Larsson y otros).

B. Espaciamiento y profundidad

El espaciamiento entre barrenos de una voladura decontorno depende del tipo de roca y del diámetro deperforación, y aumenta conforme lo hace en el mismosentido e.ste parámetro.

359

./1.

./2.

./3.

./

4.

./ 5.

6.

./

En voladuras de precorte setrabaja con una relación"S/D" que oscila entre 8y 12, con un valor medio de 10.

En voladuras de recorte se cumplen unas relaciones"S/D" que oscilan entre 13y 16, con un valor medio de15. Fig. 25.16.

1,5

Eo¡...:.zw

::a: 1,0<:!Uct(f)w

0,5

20 40 ' 6'0DIAMETRO (mm )

Figura 25.16. Valores recomendados del espaciamiento enfunción del diámetro de perforación para precorte y recorte.

Una aproximación empírica que relaciona la dimen-sión del espaciamiento con las características del ex-plosivo -con o sin desacoplamiento-, y las propie-dades dinámicas de las rocas en las voladuras de pre-corte, es la debida a Calder y Jackson (1981), en cuyaexpresión se iguala la resistencia a tracción de la roca através del plano de corte con la presión ejercida por losgases en las cañas de los barrenos, suponiendo queéstos actúan en un área equivalente al diámetro dedichos barrenos.

PBex D :s (S - D) x RT

S ~ D x (PBe+ RT)RT

donde:

S - Espaciamiento entre barrenos",D - Diámetro del barreno.PBe - Presión de barreno efectiva.RT - Resistencia a tracción.

Si las tensiones in situ son altas, la ecuación anteriorpuede modificarse añadiendo las tensiones normalesque actúan sobre el plano de precorte:

D x (PBe + RT + crN)S ~

RT + crN

En las voladuras de recorte, lá relación entre la piedra y

el espaciamiento debe ser:

B = 1,25 x S

360

"-LINEA DE PRECDRTE

BARRENOS DE PRECORTE~

~.

TENSIONES NORMALES '1", ',,-ATRAVES DEL PLANO

"-

"-

.,~PRESION DE BARRENO PB

"-

"-

Figura 25.17. Voladura de precorte.

80

En lo que se refiere al límite de profundidad en una ~-voladura de precorte, teóricamente no existe, pero losproblemas derivados de la falta de paralelismo de losbarrenos son los que constituyen la verdadera limita- "-

ción. Por ejemplo, para barrenos de 32 a 65 mm incli-nados el límite suele estar entre los 15 y 20 m. Desvia-ciones mínimas pueden conseguirse en barrenos de "-

gran diámetro con perforadoras de martillo en fondo.En determinadas condiciones, los resultados de las

voladuras de contorno pueden mejorarse con los ba-rrenos guía, o vacíos, situados entre barrenos carga- "-dos en el propio plano de corte proyectado. En rocascompetentes, la carga de todos los barrenos es gene-ralmente más efectiva que la carga alterna de éstos, "-debido a que en este segundo diseño el espaciamientodebe reducirse significativamente y, por lo tanto, au-mentar la perforación por u nidad de superficie creada. '-

C. Densidad lineal de carga '-

La determinación de la densidad lineal de carga deexplosivo debe realizarse teniendo en cuenta las si-guientes premisas: '-

- Producir una presión de barreno inferior a la resis-

tencia dinámica a la compresión de la roca.

- Controlar el nivel de vibración generado en la vola-dura que induce unas tensiones en la roca suscep-tibles de producir roturas en la misma. Fig. 25.18.

'--

'--

'-

C=U!Y-y/vc-E-v '-

Figura 25.18. Relación entre deformaciones «8». tensiones«m>.velocidades de partícula "v" y velocidad de propagación

de las ondas «ve" (Holmberg y otros). '"

Los daños aparecerán para un nivel crítico de velo-cidad de partícula. Para rocas competentes como, por '-

"

J

ejemplo, los granitos, si no se dispone de la ley depropagación, puede emplearse la siguiente ecuación:

Jv (mm/s) = 700 Q(kg)O,7 X OS (m) - 1,5

J En puntos próximos, donde la longitud de la cargaconstituye un parámetro importante, la intensidad devibración puede obtenerse integrando la expresión

.J anterior (Persson et al, 1977). Fig, 25.19.

3000

J ~EE«-1

.../ 3 2000¡=(!::«a..

J woog 1000U

./ o-1W>

jII

iI

13m

iiI¡

--- DS o

./2

DISTANCIA DS (m)

./ Figura 25,19, Velocidades de partícula en función de lasconcentraciones lineales de carga y distancias (Holmberg y

otros).

./

./

Para resolver el problema del corte de la roca a lacota o profundidad deseada, la concentración decarga en el fondo del barreno debe ser el doble de lanormal en una longitud igual a «S/2». Concentracionesde carga mayores provocarían agrietamientos y so-breexcavaciones en el f0ndo de la superficie.

Para el cálculo aproximado y rápido de la cantidadde explosivo necesario para diseñar una voladura decontorno pueden emplearse las siguientes expresio-nes:

./

./

/

a) q I (kg/m) = 8,5 x 10 - 5 O (mm)2

b) q, (kg/m2) = O (m m)130 .r

./ Las ecuaciones anteriores están deducidas comovalores medios para explosivos con una densidad de1,2 g/cm3 y unas rocas con características tambiénmedias. Fig. 25.20.

C.1. Recorte con cordón detonante/

/

En algunas aplicaciones, cuando los barrenos debenser perforados muy próximos por condicionantes geoló-gicos, para evitar la sobreexcavación o para efectuardemoliciones en estructuras de hormigón, las cargaspueden sustituir$e por cordón detonante. En estoscasos se perforan los barrenos con diámetros mayoresque los utilizados normalmente, pero con espaciamien-

/

(lb/pie)(Kg/m) 10

10 o Longefors ond Kihlstrom

D Du Pont

o:::J1-(!JZo-1Wo

~ }Gustofssonql=k,D2 I

j)

¡ G.I. L./

g~

'0~

lHÜ~~/

1,0

-o 1,01---:::J

(!::oa..«(!J(!::«uwo 0,1zO 0,1~--

Uti1-ZwuzOu

r- 0,01,

1, ',' L.J..i10 (pulg)

L---L.l...J(mm)

Ip

'J10

I I I ,1,1100

DIAMETRO3

Figura 25.20, Relación entre la carga lineal de explosivo ylos diámetros de perforación en voladuras de precorte y re-

corte (Mellor).

tos menores. Eldesacoplamiento adicional no deteriora,normalmente, la formación rocosa, pero las expresionesde cálculo de las cargas en función del diámetro no pue-den emplearse, pues resultan valores demasiado gran-des para los espaciamientosutilizados. La fórmula paracalcular la de[1sidadde carga en función de un espacia-miento prefijado es:

donde:ql = 300 . 82

q¡ = Densidad lineal de carga (g/m)8 = Espaciamiento (m)

Ejemplo

¿Cuál debe ser la densidad lineal de carga en unavoladura de recorte perforada con barrenos de 50 mm yespaciados 40 cm?

q, = 300 . 0,42 = 48 g/m ~ 50 g/m

D. Retacado

Con esta variable existen discrepancias entre diver-sos especialistas en voladuras, ya que mientras unosdisminuyen el retacado conforme aumenta la resisten-cia de la roca otros proceden de modo contrario. Pa-rece que esta última forma de actuación es la máslógica.

361

En rocas competentes, la longitud de retacado osci-lará entre 6 y 10 veces el diámetro y se realizará con elpropio detrito de la perforación, auxiliándose con untapón de papel o cotón en la base del mismo, según eldiámetro del barreno. En rocas estratificadas y fractu-radas se recomienda rellenar con material fino el espa-cio anular entre la carga de explosivo y la caña delbarreno, a fin de aminorar la sobreexcavación por elefecto de cuña y apertura de los gases de explosión.

En formaciones rocosas que se encuentren muy al-teradas, es algunas veces beneficioso reducir el reta-cado a un mínimo, o suprimirlo, con el objeto de per-mitir un escape rápido de los gases y preservar así laremovilización de la roca alterada. Con este método, lacarga debe prolongarse hacia el emboquille de losbarrenos. Dado que este procedimiento permite lapronta liberación de los gases producidos a alta pre-sión, se deben tomar precauciones especiales en lorelativo a sobrepresiones del aire y daños por proyec-ciones.

E. Tiempos de retardo y secuencias de iniciación

Comoya se ha indicado, la aparición de una grieta alo largo de una fila de barrenos está basada en el efectocasi simultáneo de las respectivas ondas de choque,por ello los mejores resultados se obtendrán cuandotodos los barrenos estén conectados a la misma líneade cordón detonante o energetizados con detonadoresdel mismo número.

Cuando por problemas de vibraciones debe redu-cirse la cantidad de explosivo detonada por unidad detiempo, se pueden intercalar relés de microrretardo

FRENTE

4 5 6

~~/" ~~/o /~/o

~// /~~ ~~~

// // ~~

~/,o~. ~//o/ ~/o/ ~/~

// // ~// //

~/~// 50~~// 60/~// 70~~~~ .. AVANCE DEL PRECORTE

/

I/

~l ((( (l( l l «( «( ( ((1 (e (e «(el (1 ( (,

DEI. INSTANTANEA

/FISURA CREADAEN LA VOLADURA

(NTERIOR

1/¿

FRENTE

54323456

o~~~ o~~~ o o o ~~/o ~//o ~~~

~~ ~~ ~~ ~~ /~

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~~ ~~ ~~ ~ /~

11 10'~ "e~~ /~ // 11 12

¡: ,,~""" ,,:,~~ . ., ~

Figura 25.21. Avance de las voladuras de precorte.

362

"

entre disti ntos grupos de barrenos o iniciar cada grupocon un detonador de microrretardo de distinto nú-mero.

A cielo abierto, el avance espacial del precorte debeser de dos veces el espaciamiento o la piedra aproxi-madamente y en profundidad puede alcanzar dos omás bancos, dependiendo de los cambios litológicos yestructurales del macizo y calidad de la perforación.

Las voladuras de precorte deben dispararse bajounas condiciones mínimas de piedra, que son de unos12 m para barrenos de 50 mm y 20 m para las de 310 mmde diámetro, pues de otro modo los estados tensiona-les y de confinamiento no serán los idóneos.

Cuando la voladura de destroza se dispara con la deprecorte, ésta última debe adelantarse al menos de 90 a120 ms, con el fin de que la fractura se desarrolletotalmente antes de la salida de la fila frontal de lavoladura de producción.

,

,

\

5.6. La voladura de destroza y laprotección de la voladura de precorte

Para que el plano de precorte no resulte dañado porla voladura de destroza, ésta deberá diseñarse deacuerdo con el modelo de voladura amortiguada. Estetipo de pegas se caracterizan porque en la fila de ba-rrenos más próxima al precorte se reduce el consumoespecífico a casi la mitad del utilizado en una fila deproducción, y la piedra y el espaciamiento disminuyende 0,5 a 0,8 veces las nominales de la fila adyacente.

Foto 25.4. Aspecto del plano de fisuración en superficiecreado 'con una voladura de precorte.

JLa distancia entre el plano de precorte y la fila amor-

tiguada no puede ser muy pequeña, pues la onda dechoque causaría sobreexcavación en el frente pro-

J yectado, y tampoco puede ser excesivamente grandeya que daría lugar a voluminosos repiés que exigirían

~ volver a volar y reducirían el rendimiento del equipoJ de carga.

La distancia entre el precorte y la última fila oscilaentre 0,33 y 0,5 veces la piedra nominal de la voladura

.-/ de producción. En los barrenos de las filas que seencuentren sobre bermas proyectadas se reducirá oeliminará la sobreperforación, a fin de evitar los dañosen la cabeza del banco inferior. El número máximo de

../ filas que se recomienda disparar es normalmente de 3.Fig. 25.22.

.-/

1-' ---r~ . . FILA DE PRooueelON.V

../ Ií. . . ~A DE PRooueelON

<:\s.o;avpO""'t ~C\33'¡:: . . . J'IlA.!'~

I

A

./ + PREeoRTE

¿LUO FINAL ---\ I

./

I-_,"VEL DE aERMAU.iNEA DE soaREP'RFORAelON

./

n ,---,4n\\\\\\,\

./

Figura 25.22. Diseño de voladura de destroza próxima a lalínea de precorte.

/

./En cuanto a la configuración de la carga en la fila

amortiguada se siguen cfos tendencias: la primera,consistente en desacoplar el explosivo de forma simi-lar a la fila de precorte, y la segunda, en la que seintenta que el explosivo trabaje como una carga esfé-rica, calculando la distancia desde el centro de grave-dad de la carga hasta el emboquille del barreno con laconocida ecuación de Livingston:

./

./

Dc= E, X Q1/3

,p

./

/

siendo "Q» la carga del explosivo y "E,» el denominado"Factor de Energía Tensión». Para las cargas de la filaamortiguada, se recomienda que "E,» oscile entre 1,2 Y2 m!kg 1/3, según se trate de rocas masivas frágiles orocas blandas respectivamente. La relación Longitud!Diámetro de la carga para que ésta trabaje como es-férica debe estar entre 6 y 8.

La secuencia de iniciación de la voladura de des-troza debe establecerse de modo que la última filaencuentre unas condiciones de confinamiento míni-mas para que pueda salir con facilidad, sin dañar elprecorte.

En voladuras de recorte, también deberá controlarse

/

/

/

/

Foto 25.5. Disparo simultáneo de barrenos de destroza y deprecorte en un talud final.

la densidad de carga de los barrenos de las filas próxi-mas a ésta.

.En la Fig. 25.23 se representan, para una excavaciónde un túnel con una voladura de recorte como termina-ción, dos diseños de voladura de destroza. En el casoa) debido a una sobrecarga de las filas 1 y 2 se produceuna sobreexcavación fuera del perfil previsto y el re-corte no resulta efectivo. En el caso b) se han elegidounas densidades de carga correctas y se consiguen losresultados previstos.

--------~-~~/~ ----..- --

,/ ,//~-~~,/

8

8

28

18

o

3 8

82

81

b

Figura 25.23. a) Cargas incorrectas. b) Cargas correctas(Holmberg y otros).

363

6. TENDENCIAS EN EL CAMPO DE LAS VO-LADURAS DE CONTORNO

6.1. Precorte con espaciamiento de aire

Desde mediados de los años 80 se empezó a utilizaren Estados Unidos una nueva técnica de precorte deno-minada "Precorte con Espaciamiento de Aire-PEA", eninglés Air Deck Presplitting - ADP. Esta consiste encolocar una pequeña carga de explosivo en el fondo delos barrenos, dejando el resto vacío hasta el retacadoque se forma colocando un tapón a una cierta profundi-dad y a continuación el detrito hasta la superficie.

f--;c-- ,,8m. .¡ 1,8m---!

Figura 25.24. Técnica de precorte "AOP" con columnade aire.

Los principios básicos de esta técnica fueron plantea-dos hace más de 40 años por los científicos rusos Mel-nikov (1940) y Marchenko (1954) que observaron unmejor rendimiento del explosivo, consiguiéndose ul1amayor fragmentación y desplazamiento de la roca vo-lada.

En 1981 Fourney y sus colaboradores de la Universi-dad de Meryland, realizando investigaciones sobre laestimulación de pozos petrolíferos y efectuando ensa-yos a escala, comprobaron que disparando cargas en.elfondo de cámaras de aire, como las de los barrenos, lasondas de choque se reflejaban en el techo del retacadogenerándose en la roca circundante unas tensiones demayor duración, del orden de 2 a 5 veces superioresque las registradas en el fondo donde se localizan lascargas.

En 1982, Crosby y otros técnicos utilizaron columnasde aire en la ejecución de precortes en la mina de car-

. bón acielo abierto de Rietspruit en Sudáfrica.

364

"-Pero fue a partir de 1983, cuando la Atlas Powder

Co., actualmente la ICI, inició una serie de ensayos quecondujeron a un mejor conocimiento de la técnica,extendiéndose su aplicación a diferentes campos desde "-entonces. En 1986 el ingeniero John Bussey, junto aDan Fitzgibbon, diseñaron y patentaron un tapón neu-mático que posibilita el retacado efectivo, con una dis- '-minución muy importante de la onda aérea que hacíainviable, hasta entonces, la utilización de la técnica enzonas próximas a núcleos de población. '-

6.1.1. Criterios de diseño"

Como reglas prácticas de diseño se utilizan lassiguientes expresiones:

s = (16 a 24) x DT = (12 a 18) x DQ = (0,39 a 1,4) x H x SB = 12 x D

"

'-

siendo:

D = Diámetro del barreno (m)S = Espaciamiento (m)T = Retacado (m)Q = Carga del explosivo en el fondo del barreno (kg)B = Distancia a la fila de destroza (m).

Con estos esquemas solamente se carga dA explosi-vo entre un 10 Y un 15% del volumen del barreno. Si losbarrenos tienen más de 20 m de longitud se recomienda"disponer de dos ó más cargas con el fin de obtener unamejor distribución de la energía y conseguir unos mejo-res resultados. En estos casos aproximadamente el60% de la carga debe colocarse en el fondo del barreno.

En lo referente a los tapones, existen diferentes tipos:neumáticos y químicos. Los primeros que son los que

ESPACIAMIENTODE AIRE

ESPACIAHIENTIJDE AIRE

EXPLOSIVD

EXPLOSIVO

Figura 25.25. Precorte con espaciamiento de aire con unay dos cargas.

In,"oIF'P¡i='iI"":.,<=, , '<='to'1F :; ., <=, = =< <=\ C-1 C\pcclt::'\-=

ROCA TR'TURADA '0"o' ','

9,5-19mm... :. ..: .' .'

TAPaN PARAEL .. ;;RETACADO .

COLUMNADE AIRE4,6 m.--

D= 17cm(6 3/4) -

,,I,.'

'>.:,.,DETRITUS '..' : ..,

.:.;

J

más se utilizan consisten en una cámara de goma quese infla con aire a presión, una vez introducida en el

J barreno a la profundidad deseada. Estos tapones dispo-nen de una válvula especial y se comercializan para diá-metros de los barrenos' de 50 mm a 380 mm, siendoalguna de las marcas más conocidas: "Power plug» y

J "Hole saver».Los tapones químicos están constituidos por un cartu-

cho con dos componentes (isocianato y resina polyol),../ que al reaccionar forman una espuma de poliuretano. El

tiempo de formación es de 2 a 5 minutos, y al cabo de15 minutos solidifica completamente. También se han

J fabricado tapones de gas, "gas bags», en los que sehace reaccionar bicarbonato sódico con un ácido débilcomo el vinagre para producir anhídrido carbónico y asíinflar el tapón, que habrá sido descendido a la profundi-

J dad adecuada mediante una cinta.La técnica PEA esta, hoy en día, indicada para diáme-

tros de perforación entre 127 y 310 mm, proporcionando.../ menores costes de perforación por metro cuadrado de

superficie precortada, debido a:

.../- Utilización de explosivos convencionales a granel de

menor coste que las cargas especiales de precorte.- Mayores espaciamientos entre barrenos.- Posibilidad de emplear mayores diámetros de perfo-

ración.- Mayor facilidad de la carga del barreno, que se tra-

duce en menores requerimientos de mano de obraespecializada.

.../

.../

.../

El único inconveniente que presenta es la necesidadde disponer de los tapones neumáticos, cuyo precio habajado conforme la demanda ha hecho que se comer-cialicen en cantidades mayores.

El sistema de iniciación ideal consiste en el empleo deNON EL, pues de esta manera no se daña al tapón neu-mático antes de la detonación de la carga del explosivo

.../

.../

/

/

/

/

/

/

y la efectividad del retacado es mayor. No obstante,pueden emplearse también cordones detonantes debajo gramaje.

El tiempo de carga y preparación de las voladuraspuede incluso reducirse, pues en una voladura de 17barrenos se invierten unos 30 minutos, frente a doshoras o más en un precorte convencional con variosmultiplicadores y cargas elementales espaciadas conretacados intermedios.

6.1.2. Otras aplicaciones

Además de utilizarse en las voladuras de contorno,otras aplicaciones de interés son las siguientes:

- Separación de estéril y mineral. El explosivo colo-cado en la zona de mineral produce una fragmenta-ción fina de éste, mientras que ese estéril en el quese dispone la columna de aire queda después de lavoladura en trozos gruesos, pudiendo separarse

. visualmente. Fig. 25.26a.- Control de proyecciones. En la primera fila de

barrenos, cuando la dimensión de la piedra es menorque la nominal o la geología es desfavorable. Fig.25.26b.

- Disminución de finos. En algunos minerales la pro-ducción de finos supone pérdidas importantes, por loque modificando el método de carga, Fig. 25.26c,con espaciado res de aire se pueden reduGir los finosen un 50% y los consumos específicos de explosivoentre un 15% y un 20% con relación a los convencio-nales.

- Producción de escollera. Fig. 25.26d. La técnica seestá empleando con éxito en las voladuras de esco-llera, con rendimientos de 20 t de material por kilo-gramo de explosivo, perforando barrenos de 165 mmde diámetro. En este tipo de voladuras interesa frag-

/Foto 25.6. Secuencia de operaciones en el retacado de un

barreno.

/365

EXPLOSIVO-

a..

AIRE

AIRE-

EXPLOSIVO

d.c.

'-

'-

'-

"--

EXPLOSIVO"--

"--

'--

"--

EXPLOSIVO-"-

Figura 25.26. Aplicaciones de la técnica AOP a diferentestipos de voladuras.

"-

mentar poco la roca para obtener bloques de grantamaño.

- Arranque de bloques de roca ornamental. La téc-nica se aplica en los barrenos horizontales y vertica-les perforados para arrancar bloques de roca orna-mental.

- Control de las vibraciones. Fig.25.26e.Paraespa-ciar y secuenciar las cargas elementales dentro deun mismo barreno y disminuir así el nivel de vibracio-nes, al tiempo que se obtiene un mejor talud y mejo-ra de la fragmentación.

6.1.3. Comparación de costes de las té'cnicas de~precorte

,,¡'En las Tablas 25.2 y 25.3 se recogen los datos relati-,

vos a voladuras de precorte con la técnica convencionaly con la de espaciamiento de aire PEA, en dos tipos deroca (roca dura con RC = 150 MPa y RT = 15 MPa, yroca media con RC = 100 MPa y RT = 8 MPa) y supues-to un diámetro de perforación de 150 mm en un bancode 12 m de altura.

Como puede observarse existe una diferencia muysignificativa en la reducción de los costes a favor de latécnica PEA, aún en el caso en que se pierda algo delvalor estético en el resultado de la voladura debido almayor espaciamiento entre los barrenos.

Los costes de explosivo incluyen, además de talesproductos, los debidos a accesorios de iniciación y lostapones en el caso de la técnica PEA, cuyo precio oscilaen el mercado entre las 1.000 y las 1.200 PTA/unidad.

366

TABLA 25.2. PRECORTE CONVENCIONAL "-

"-

TABLA 25.3. PRECORTE CON ESPACIAMIENTODE AIRE

'-

6.2. Otras tendencias

Desde hace varios años, las investigaciones en elcampo de las voladuras de contorno se han dirigidohacia el diseño de las «Cargas de Fisuración Contro-lada». Las ventajas de estas técnicas son:

- Conservación de la integridad estructural y resis-tente de la roca remanente.

Roca dura Roca media

Densidad de carga (kg/m) 2,4 1,5Carga de fondo (kg) 5,0 3,6Espaciamiento (m) 2,4 2,4Coste de perforación (PTA/m') 703 564Coste de explosivo (PTA/m') 467 309Coste total (PTA/m') 1170 873

Roca dura Roca media

Carga de explosivo 30 16Espaciamiento (m) 2,7 3,0Coste de perforación (PTA/m') 625 452Coste de explosivo (PTA/m') 194 118Coste total (PTA/m') 819 570

J

- Mejor adaptación del hueco excavado a las dimen-siones del perfil proyectado.

J - Menor consumo de explosivo por unidad de super-ficie recortada. Fig. 25.28.

- Mayor espaciamiento de barrenos y, por tanto, me-nores necesidades de perforación.../

J

Las técnicas que actualmente están en fase de de-sarrollo son las siguientes:

.J

a) Cargas especiales de acoplamiento lineal.

b) Barrenos con entalladuras.

c) Cargas entubadas con aristas abiertas.

...JLas cargas especiales de acoplamiento lineal fun-

cionan de forma semejante a las cargas huecas, diri-giendo la energía del explosivo sobre dos generatricesopuestas diametralmente en el barreno. Fig. 25.27.

./

./

"(1)GASES EN EXPANSION

./

/ t3 NOaRI~~~~ECENp«)" tt

--(5-_4 rA~N~~~~ASp \\ KI'Klcp

/

./

Figura 25.27. Fases de actuación de las cargas de acopla-miento lineal (Bjarnholt y otros).

./

/

Los barrenos con entalladura consisten en abrirunas grietas en forma de cuña y diametralmenteopuestas a lo largo de las cañas, con el fin de dirigir lafracturación originada por la presión de los gases,aprovechando la concentración de tensiones"en losextremos de dichas entalladuras. Con esta técnica sehan obtenido excelentes resultados, llegando a reduc-ciones del consumo de explosivo entre un 20ry un 50%del utilizado normalmente. Fig. 25.28.

Para la ejecución material de las entalladuras se uti-lizan diversos procedimientos:

/

/

/ - Accesorios especiales de perforación, como el re-presentado en la Fig. 25.29.

- Chorro de agua.

- Empleo de cargas de acoplamiento lineal Fig.25.27.

La tercera técnica es la denominada «Cargas Entu-badas con Generatrices Abiertas" que consisten enunos cilindros metálicos que alojan el explosivo en suinteriory disponen de unas aberturas laterales. El tubometálico tiene dos misiones: canalizar la energía delexplosivo en las generatrices del barreno enfrentadas

/

/

e

el. -:§150;- - - - -OZWo:o:<!CD

~ 100zO¡¡;Wo:el.

- - - - -

15/85. ANFO /Styropor0 BARRENOS

CONVENCIONALES

17mm GURIT47""

50<- - - - - - - -¡ BARRENOS CON

f ENTALLADURAS

50 100 150CONC. DE CARGA (Kg.lm3 VOLUMENDE BARRENO)

Figura 25.28. Mejora del rendimiento de las cargas de losbarrenos con entalladura (Bjarnholt y otros).

BOCA DEPERFORACION

Figura 25.29. Accesorios de perforación para la creación deentalladuras en los barrenos de contorno.

con las aberturas y proteger al resto de la superficieabierta en el hueco del barreno.

7. EVALUACION DE RESULTADOS

La "evaluación de los resultados obtenidos en unavoladura de contorno puede hacerse de forma cuanti-tativa y cualitativa.

La evaluación cuantitativa se basa en el cálculo del

Factor de Cañas Visibles "FCV", que es el cociente entrela longitud de las cañas visibles y la longitud totalperforada. Fig. 25.30.

Si bien, la evaluación cuantitativa da un valor quedefine la calidad de la voladura controlada, es másinteresante, en orden a optimizar los resultados, unanálisis del conjunto de la superficie creada, como seindica en la Tabla 25.4 para la técnica de precorte, en laque para cada tipo de daños aparecido se indica elposible origen y la solución del problema.

367

CAÑAS VISIBLES ¡

10

I~~ 11 ~

I

10m. LONGITUDI PERFORADA

I

t~

5II

I :I II II !I~

SUPERFICIE CREADA" ~-----_._---

Figura 25.30. Ejemplo de cálculo del Factor de Cañas Visi-bles. «FCV».

8. EJEMPLO DE APLlCACION

Se desea calcular el espaciamiento entre barrenosen una voladura de precorte utilizando un diámetrode perforación de 64 mm con cargas continuas deexplosivo de 19 mm de diámetro, densidad de 1,1glm3 y velocidad de detonación de 4000 mis. Laroca tiene unas resistencias in situ a tracción y com-presión de 17,2 y 275 MPa respectivamente:

'-

- 2134 MPa. '---

[ 19

J

2.4

PB =2134 x 64 = 2134 x 0,0542 =115,7MPa.

'---

Valor inferior a la resistencia a compresión de laroca, luego la configuración de cargas es válida.

Espaciamiento3.

S=64 x (115,7 + 17,2)

17,2

"--

\-

- 494,5 mm ~ 0,5 m

"-

9. EXTRACCION DE BLOQUES DE ROCASORNAMENTALES CON VOLADURAS DECONTORNO

"-

Se entiende por rocas ornamentales todas aquellasque se utilizan, en forma de bloques o placas, porsus características estéticas (color, textura, brillo,tamaño de grano, etc.), y técnicas (resistencia, facili-dad de elaboración, pulido, etc.). Los tipos de rocamás comunes pueden clasificarse genéricamente entres grandes grupos: granitos, mármoles y calizasmarmóreas.

Los métodos de arranque consisten en la indepen-dización primaria en el macizo rocoso de un granbloque (100 a 4000 m3), de forma paralepipédica, que

'-

\....

\...

\...

TABLA 25.4. TIPOLOGIA DE DAÑOS EN VOLADURAS DE PRECORTE'-.

TIPOLOGIA DE DAÑOS

Sobreexcavación general

Sobreexcavación alrede-dor de los barrenos

Sobreexcavación entrebarrenos

Roca saliente entre ba-rrenos

368

PERFIL DE EXCAVACION

---0 0-- ---<>--

ORIGEN DEL PROBLEMA

- Voladura de precorte so-brecargada

~~ 1- Fila próxima de destrozasobrecargada

..r

---n c--:-¡-;;-{)-,-: -~'_.J~'J~-~.-~~..,~".. . .~/~".. ,/~.\,.

,

- La presión de barreno essuperior a la resistenciadinámica a compresiónde la roca

- Espaciamiento entre

-~--~--~ .-~'-\_-

.

-

..

-- /- --

I

barrenos demasiado pe-

W;:'.lf-qirf/.C¡!c~\7iFllf'/)(,~\'V!Ir;""'/"!!1 qUe ño

- Espaciamiento excesivo

~--¿ITi2~...n~1SJi:7,;¡?~[~.

- -,' entre barrenos

<,.,\~y !if.1!..~" - <;;s~, -

SOLUCION \...

- Disminuir la densidad decarga, aumentar el desaco-plamiento, incrementar elespaciamiento

\...

- Alejar la fila de destroza,disminuir la presión de ba-rreno, aumentar el retardoentre filas de destroza.

"

- Disminuir la densidad linealde carga y aumentar el desa-coplamiento

- Aumentar el espaciamientoentre barrenos

- Reducir el espaciamientoentre barrenos y aumentar li-geramente la carga

1. Presión de Barreno

PB = 228 X 1Q-6pe XVO2

1 + 0,8 Pe

2. Presión de Barreno Efectiva

--''3

J

J

eL.OQUEVENDleL.E

2J

4

J

JSUBDIVISIONDE eL.OQUESIN SITU PERFIL.ADODEL.eL.OQUEVENDIBLe

JFigura 25.31. Secuencia de arranque de un bloque.

a continuación se subdivide hasta alcanzar unas di-mensiones fácilmente manipulables y dentro de las

../ gamas que requieren las industrias de transforma-ción, generalmente con unas longitudes entre 1,8 a3,5 m, espesores entre 1 y 1,50 m y alturas entre 0,9 y1,2 m.

../ La técnica de arranque con explosivos se suele utili-zar, aunque no de forma exclusiva, pues se aplicansistemas de corte con hilo helicoidal adiamantado,

../ con rozadora de brazo y disco, con lanza térmica ychorro de agua.

Las técnicas de voladuras son un caso particular de../ las de precorte, pero con ligeras variantes ya que es

preciso no dañar a la roca y al mismo tiempo tener encuenta las propiedades de ésta: resistencia, homoge-neidad, esquistosidad, fisuración, etc.

../

9.1. Variables de diseño

./ Aunque es difícil dar unas recomendaciones gene-rales de diseño de este tipo de voladuras, pues sonmuchas las clases de rocas y condiciones de explota-

./ ción, pueden seguirse los siguientes criterios:

- Diámetro de los barrenos

Los diámetros que se utilizan son normalmentepequeños, de 27 a 40 mm, pues de esta forma se consi-gue la mejor distribución espacial del explosivo ~j1 elplano de fractura. -

Los martillos pueden ser manuales o más moderna-mente montados sobre banqueadores o unidades espe-cialmente diseñadas para hacer taladros alineados, yque disponen de unos bastidores sobre los que se des-plaza un carro unido a las deslizaderas de los martillos.

./

./

./

./

- Espaciamiento

El espaciamiento entre barrenos se debe estableceren función de las propiedades de las rocas y caracterís-ticas de la carga de explosivo.

Existen diversos métodos aplicados al cálculo devoladuras de precorte, que con pequeñas modificacio-nes pueden adaptarse a la extracción de bloques deroca ornamental. A continuación se describen los másimportantes.

/

/

A. Fórmula de Calder y Jackson (1981)

Esta expresión ya ha sido expuesta, y consiste enigualar la resistencia a tracción de la roca a través delplano de corte con la presión ejercida por los gases enlas paredes de los barrenos, suponiendo que éstosactúan en un área equivalente al diámetro de dichostaladros.

B. Fórmula de Serta (1985)

Propone la siguiente expresión para que exista unequilibrioentre la presión de los gases y la resistencia atracción de las rocas.

2xPEsx Pexd' + OS = RT x O

donde:

S

PEsPedORT

= Espaciamiento entre barrenos (mm)= Presión específica (Mpa)=Densidad del explosivo (g/cm3)= Diámetro de la carga de explosivo (m)=Diámetro del barreno(m)=Resistencia a tracción de la roca (MPa).

C. Reglas empíricas

Se basa en la experiencia práctica de que se disponecon rocas similares. Normalmente los espaciamientosse suelen encontrar en el intervalo 4 -150, si bien haycasos especiales en los que por coincidir el plano decorte con una dirección favorable de fracturación esasdistancias pueden ser más del doble.

- Consumos específicos

Las cantidades de explosivo necesarias para el cortede un volumen de roca varían ampliamente según eltipo de roca, clase de explosivo y fase de extracción.Como cifras orientativas y cuando se emplea cordóndetonante en planos verticales, los valores más comu-nes son, por unidad de superficie cortada, de 80 a 150g/m2en los granitos, de 40 a 80 g/m2en los mármoles yde'30 a 60 g/m2en las calizas marmóreas.

- Distribución de carga en los barrenos

Para evitar el astillamiento o fracturación en las.esqui-nas de los bloques, es conveniente emplear barrenosguía vacíos en las proximidades de las superficies libreso en las intersecciones de los planos de corte, Fig.25.32.

Por otro lado, los barrenos tanto verticales como delevante no se llegan a perforar en toda su longitud,sien-do habitual dejar en el granito desde el fondo de losbarrenos hasta la arista del bloque una distancia de 20 a30 cm, Fig.25.33.

-Retacado

El confinamiento de las cargas de explosivo es nece-sario para aprovechar el empuje de los gases. Confor-

369

~

"-

//10

o.

Figura 25.32.

'~

//"-

'-.

'-

BARRENOS

SIN CARGA

'-

b.

Utilización de barrenos guia en la extracción de bloques. '-..

.'-..

'--

'--

.......

.......

"-

"-

370

Foto 25.7. Arranque con voladura de un bloque de granito. (Cortesía de ay Forcit AB).

'-

J

J

.../E"

J'l.:-

J

Figura 25.33. Sección transversal de un bloque.

../me las características de las rocas empeoran las longi-tudes suelen disminuirse con el fin de que la presión delos gases no actúe demasiado tiempo sobre la roca y

J pueda dar lugar a daños.Por lo general, con los cordones detonantes los reta-

cados son pequeños, mientras que con pólvora seJ necesita un mejor confinamiento de las cargas.

El material que se utilizasuele ser el propio detrito deperforación o tacos de arcilla.

./ A veces, el retacado se realiza con agua, que permiteademás transmitir una mayor cantidad de energía a laroca, si se precisa aumentar PBe para garantizar elcorte.

--' También, cuando se desea evitar el ennegrecimientode las superficies de fractura se rellenan con arena odetritus de perforación.

--'

- Iniciación

Al igual que en las voladuras dE;!contorno se reco-mienda la iniciación instantánea de todos los barrenos,mediante empleo de ramales maestros de cordón deto-

./ nante de bajo gramaje. .De no conseguirse la detonación simultánea de todas

las cargas situadas en un mismo plano de corte, la coli-./ sión de las ondas no se produciría en los puntos equi-

distantes entre los barrenos y el plano de fractura podríano ser total o limpioy, además, como consecuencia delas tensiones y desplazamientos diferenciales, por

./ ejemplo por flexión del propio bloque, se podría provo-car el agrietamiento de la roca. -..-

Aunque la velocidad de detonación del cordón deto-./ nante es elevada, comparada con la distancia entre

barrenos, para que la acción de todas las cargas en unmismo plano de corte sea lo más simultánea posible, esaconsejable que el punto de iniciación se encuentre

./ equidistante de los barrenos que se localizan en losextremos de dicha superficie.

./

9.2. Consideraciones prácticas sobre el uso deexplosivos

En muchas canteras la utilizacióndel cordón detonan-te y la pólvora se realiza de distinta forma, según seapliquen éstos a cortes en"planos verticales u horizonta-

./ les.

./

Normalmente, en los cortes verticales (de plomo obanqueo) se precisan explosivos que generan una ondade choque fuerte. Esta es la razón de emplear cordóndetonante a lo largo de toda la longitudde los barrenos,e iniciarlos en cabeza con el fin de evitar una acumula-ción de tensiones en la boca de los mismos que daríalugar a descostramientos y fracturación de la roca.

El cordón detonante tiene la ventaja de constituir unacarga continua y al mismo tiempo permitir disponer deldesacoplamiento necesario. En función de la carga quese precise se podrá usar con un solo ramal o varios deigualo distinto gramaje.

En los cortes horizontales (de levante o realce) estágeneralizado en algunas explotacione,s, como las degranito de Porriño o las de caliza marmórea con estratifi-cación marcada, el uso de la pólvora.de mina. Las razo-nes pueden atribuirse, por un lado, a que se aprovechanlas características estructurales favorables del macizorocoso y, por otro, a que como al efectuar los barrenoshorizontales se produce una concentración de tensionesen las proximidades de los taladros, debido al propiopeso del bloque, las ondas de choque intensas genera-rían fracturas que tenderían a orientars~ verticalmente,ya que la dirección corresponde a la de menor resisten-cia al corte.

Foto 25.8. Cortede un gran bolo de granitomediante dosbarrenos con entalladurasy pólvora negra.

Se ve, pues, la conveniencia de usar un explosivo quedesprenda un gran volumen de gases, como la polvora,que permita alcanzar la presión necesaria en losbarrenos para superar la resistencia a la traccióncorrespondiente al plano de levante y a contrarrestar elefecto del propio peso del bloque.

La existencia de planos preferenciales de fractura enalgunos granitos tiene una explicación científica. Así,por ejemplo, en el caso del granito Gris Perla, el«andar» principal o «levante>;,subhorizontal, coincidecon una orientación preferente de los feldespastos,debido a la coincidencia en dicho plano de las seccio-nes mayores de los fenocristales y, consecuentemente,de elementos cristalográficos (planos de maclas, planos

371

de exfoliación, bordes de cristales, etc.), que lo configu-ran como la superficie de mayor debilidad.

Otros granitos, como los extremeños, no presentandirecciones preferenciales de fractura.

9.3. Optimización del diseño de voladuras de corte

El diseño de las voladuras de corte se debe realizarpara cada cantera específica cubriendo una serie deetapas. La primera consistirá en el estudio de las carac-terísticas estructurales y propiedades dinámicas de lasrocas para el cálculo posterior de los parámetros de lavoladura.

En la segunda etapa se efectuarán voladuras de prue-ba hasta conseguir los resultados prácticos deseados,evaluando las pérdidas de material en cada caso y loscostes inherentes de cada esquema.

Valorando las citadas pérdidas por unidad de volu-men, se podrá determinar el esquema óptimo, sin másque añadir los costes de perforación y de explosivos, yque coincidirá con el mínimo coste de la curva total, Fig.25.34.

9.4. Ejemplo de cálculo

Se desea extraer un bloque de granito medianteperforación de barrenos y voladura con cordón de-tonante. Los datos de partida son:

- Resistencia a tracción de laroca

- Diámetro de perforación

RT = 10 MPa

D = 0,032 m

d = 0,0034 m- Diámetro del ánima de pentrita

del cordón detonante

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E'-«1-"- COSTE TOTAL

'---

", ./ VALORPERDIDA

"'0. ./~ ./

- -- - ~ C. PERFORACION---

'---

~

- - - - - - - - - C. EXPLOSIVOr-0,10 0,20 0.30 0.40 0,50 0.60

'---ESPACIAMIENTO

ENTRE BARRENOS (m)

'-----Figura 25.34. Optimizacióndel espaciamiento entre barrenos.

Densidad de la carga depentrita

Presión Específica

'-Pe = 1,3 g/cm)

PE, = 1200 MPa '----

¿Cuál debe ser el espaciamiento entre barrenos?Aplicando la ecuación de Berta resulta:

'---

2 x 1200 x 1,3 x 0,00342 + 0,032 = 0,14 mS = 10 x 0,032

'-

La relación ..S/O» es igual al 4,37, que está ,dentrodel intervalo práctico de 4 a 150.

Si la roca fuera de peor calidad con una Resisten- "-

cia a Tracción de 5 MPa, el espaciamiento deberíaaumentarse a S = 0,26 m.

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