CONTROL DE VIBRACIONES POR EFECTOS DE VOLADURA

Nombre: GONZALES LICLA EDINSON Prof.: Ing. DAVID CORDOVA ROJAS Ing. ELVIS VALENCIA Presentacin 28 de abril 2012

OBJETIVOS:

Objetivo generalInvestigar el campo de las vibraciones causadas por los trabajos de explotacin de minerales, mediante el acopio y anlisis de la literatura tcnica existente en el mbito mundial. Ejemplarizar la problemtica de la evaluacin y control de sus efectos mediante el monitoreo, modelamiento, anlisis e interpretacin de datos reales en condiciones de trabajo normales, para llegar a recomendaciones de procedimiento aplicables en la prctica de la Ingeniera en nuestro medio.

INTRODUCCINEn la actualidad, la ejecucin de voladuras para el arranque de rocas de dureza media y alta es una tcnica insustituible en los grandes proyectos de minera y obras civiles; su empleo tambin es general en la mayor parte de proyectos de menor tamao, aunque los terrenos que se excaven estn cercanos a edificaciones. La razn fundamental es que est tcnica contina siendo la ms barata y la que permite obtener mayores producciones de material arrancado (superiores a cualquier medio de arranque mecnico alternativo: martillos demoledores, rozadoras, excavadoras hidrulicas o tractores). Uno de los principales inconvenientes de su utilizacin es que, como consecuencia directa de su uso, se produce la generacin de vibraciones en el medio circundante (adems de otras afecciones medioambientales, tales como ruido, onda area, polvo y proyecciones); estas afecciones no son

As mismo, se han desarrollado una serie de tcnicas de cuantificacin de las vibraciones, que han permitido, a su vez, definir tcnicas de reduccin, algunas basadas en el diseo de las voladuras propiamente dicho y otras en los productos explosivos y los accesorios de voladura (fundamentalmente, detonadores secuenciados). Los avances en los ltimos aos han sido notables, logrndose la ejecucin de voladuras en terrenos colindantes a edificaciones sensibles sin ningn tipo de afeccin a las estructuras ni molestias a las personas. Para reducir la probabilidad de que se generen daos producto de las vibraciones, se describe a continuacin un mtodo de modelamiento que permite predecir la seal y niveles de las vibraciones, las que pueden ser modificadas alterando la carga explosiva, el tamao de la voladura o nmero de taladros y la secuencia de iniciacin de modo de minimizar el riesgo de dao.

Un elemento importante en el proceso de evaluacin y optimizacin de la operacin de voladura, es poder predecir a travs de un modelo, las consecuencias y beneficios al introducir cambios en los parmetros ms relevantes de una voladura, sin que ello deba necesariamente tener que realizarse a escala real. Se pueden distinguir diferentes enfoques asociados al modelamiento de vibraciones, los cuales tienen como objetivo final predecir los niveles de vibracin (velocidad de

OBJETIVO DEL MONITOREO DE LAS VIBRACIONES La medicin de las vibraciones tiene como objetivo principal detectar y registrar el movimiento vibratorio del macizo rocoso . Estas medidas deben describir de la mejor forma el evento vibraciones, para lo cual se requiere medir tres componentes ortogonales que definan: amplitud, velocidad y aceleracin de la partcula, en funcin del tiempo t. El monitoreo de vibraciones se puede realizar para determinar slo el nivel mximo de partculas, o si se requiere, un registro de toda la onda para determinar un modelo de vibraciones, en ambos casos es de especial inters tener algunas consideraciones referente al registro que se obtiene. El registro obtenido entrega una onda que el eje de las Y representa la magnitud de la vibracin y el eje de las X el

El empleo adecuado del Monitoreo de Vibraciones producto de voladuras, es una tcnica que provee mltiples ventajas en trminos de poder examinar en detalle el proceso de la voladura. En efecto, la medicin de los niveles de velocidad de partculas que provoca la detonacin de cada carga explosiva, es un medio a travs del cual es posible conocer su eficiencia relativa, su interaccin con las cargas adyacentes y en definitiva el rendimiento general del diseo. As, el monitoreo de las vibraciones en la roca causadas por una voladura, ha sido utilizado como una herramienta de diagnstico de sta, ya que la adecuada interpretacin del registro de vibraciones permite determinar el grado de interaccin entre las variables de una voladura, pudindose evaluar por ejemplo: cargas detonando en una secuencia de encendido incorrecta; dispersin en los tiempos de encendido de los retardos; detonacin deficiente de cargas;

Otro aporte importante del empleo de sta tecnologa, es el de obtener los niveles de velocidad de partcula absolutos, para cada una de las cargas explosivas, las que asociadas a las distancias en que se registra dicha detonacin conforman una base de datos con la cual se ajustan los modelos de comportamiento y se evala el dao potencial que esa vibracin

LA NATURALEZA CCLICA DE LAS VIBRACIONESLas vibraciones son un movimiento cclico que ocurre dentro de un medio, debido al paso de fases alternativas de compresin y tensin.

Consideremos un caso simple, de un solo taladro de voladura con una pequea carga de explosivo. Cuando la carga es detonada, la masa rocosa alrededor de la carga es inmediatamente sometida a compresin. Esto produce la componente de compresin del ciclo de vibraciones.Despus de la fase de compresin, la roca sufre una fase de expansin en un intento a volver a su estado original. Ya que todos los materiales se comportan, en mayor o menor medida, como un resorte, una vez que la fuerza de compresin es removida, la roca se relaja y vuelve a su estado original pasando ms all de sta. Como la roca se mueve ms all de su posicin original, esto crea una fase de tensin del ciclo de vibraciones

El hecho que las ondas registradas a grandes distancias tengan frecuencias menores a aquellas registradas a cortas distancias confirma que las ondas de vibraciones contienen un amplio rango de frecuencias, y que las ondas de altas frecuencias son atenuadas preferentemente, dejando un espectro dominado por componentes de bajas frecuencias. Si la frecuencia es baja, el desplazamiento es mayor, por lo que se produce un mayor dao en el medio en que se trasmite las vibraciones.

La duracin de las vibraciones dependen de dos factores principales la duracin de la voladura y la distancia del punto de monitoreo a la voladura Un buen registro de vibracin mostrar un tiempo quieto previo al comienzo del registro de vibraciones, un completo detalle de las ondas de vibraciones, y un tiempo despus del paso de las ondas, cuando el terreno ha vuelto a su estado de reposo.

la velocidad de propagacin describe la velocidad con la cual la onda se desplaza a travs de la roca. En la figura mostrada, los gefonos estn separados 300 metros, y la diferencia de tiempo de arribo, t, es de 80 ms, correspondiendo a una velocidad de propagacin de 3.750 m/s. OBS Vp 6000 m/s son consideradas tambin poco confiables, y nuevamente los sistemas de medicin debieran ser cuidadosamente analizados antes de aceptar dichos valores tan altos

Tipos de ondasOnda Longitudinal - Onda de Compresin (P):Normal a la direccin de la voladura en el plano Horizontal, movimiento a lo largo de una lnea que une la fuente y el punto de registro. El trmino primario se origina en que esta onda tiene una gran velocidad de propagacin y por ende, es la primera en llegar al punto de medicin La primera onda que llega al monitor ser siempre la onda P, ya que sta, de todos los tipos de onda, es la que viaja ms rpido (entre 30 y 50% ms rpido que la onda S). P se caracterizan por provocar la oscilacin de las partculas en la misma direccin en la que la onda se propaga. Onda Transversal (S): Perpendicular a la direccin de la voladura en el plano Horizontal; se caracterizan por provocar la oscilacin de las partculas en una direccin transversal a la direccin en que la onda se propaga.

Compresin (P)

Movimiento partcula

Direccin de propagacin

Cizallamiento (S)

Movimiento partcula

Direccin de propagacin

Las ondas Rayleigh

se propagan en el plano ZX, originando en dicho plano oscilaciones elpticas. Su efecto es de compresin, dilatacin y cizalla.

Las ondas Love

se propagan en el plano XY originando oscilaciones elpticas contenidas en dicho plano. Su velocidad es similar a la de las Rayleigh.

La primera onda en llegar ser siempre la onda P la cual viaja una distancia ms corta algefonoSin embargo,

si la onda pasa a travs de un material altamente fracturado, su amplitud puede ser muy pequea, y otra onda que realice un recorrido ms largo a travs de una roca ms competente llegar con un pequeo atraso y con una amplitud mucho mayor. Esto puede llevar a estimaciones errneas de velocidad de

INSTRUMENTACIN PARA MONITOREAR LAS VIBRACIONES:La instrumentacin es vital y su propsito es localizar transductores en puntos estratgicos a objeto de obtener una base de informacin consistente y representativa

usando los siguientes componentes: Transductores (gefonos o acelermetros) que se instalan en forma solidaria a la roca. Un sistema de cables que llevan la seal captada por los transductores al equipo de monitoreo. Un equipo de adquisicin, el cual recibe la seal y la guarda en memoria. Un computador, el cual tiene incorporado el software requerido para el traspaso de la informacin desde el equipo monitor, y su posterior anlisis.

Su funcin es convertir el movimiento fsico generado durante el paso de la vibracin, en una seal de voltaje equivalente, segn sea su sensibilidad. COSTO en muchos casos es necesario instalar transductores permanentes en el macizo rocoso, lo que evita efectos superficiales y permite un anlisis completo de una voladura. Bajo estas circunstancias los equipos no pueden recuperarse y el costo de cada unidad debe ser minimizado PRECISION gran parte del tiempo, esfuerzo y recursos estn dedicados a la instalacin de los transductores de vibracin; es importante entonces que ellos sean confiables en el largo plazo.

ORIENTACIONACLOPLAMIENTO

VELOCIDAD PICO PARTICULALa seal de vibraciones producida por una voladura, consiste en un nmero discreto de paquetes de ondas, cada uno de estos corresponde a cargas o grupos de cargas detonando en un determinado tiempo. El primer paso en el anlisis de la seal, es determinar que carga representa cada paquete de vibracin. Con el Monitoreo y Anlisis de las Ondas de Vibraciones es posible determinar y calcular lo siguiente:Tiempo real de detonacin de una carga o cargas (Dispersin) Velocidad de partculas de cada carga en la voladura. Detonacin de cargas con baja eficiencia o no detonadas. Detonacin instantnea de cargas; detonacin de cargas por simpata, acoplamiento por insuficiente tiempo entre retardo de los taladros. Eficiencia relativa en la detonacin de cargas similares. Diferencia entre Cargas Explosiva de Produccin y Contorno. Diferencia entre cargas detonadas con distinto confinamiento. Anlisis de Frecuencia, etc.

MODELOS DE LA VELOCIDAD PICO DE PARTCULAExperimentalmente se ha llegadodescribe la influencia a establecer modelos qued=distancia a la cual se cuantifica la veloc de la partcula(m) describen la velocidad de W=carga detonada (kg) partcula peak (vibracin), como una funcin de la carga detonada por retardo y la distancia entre cada detonacin y el punto de medicin. A continuacin se sealan

algunos de estos modelos

El trmino D o Distancia Escalar,

Modelo de Campo Lejano

Tericamente este criterio es el que mejor representa el comportamiento de la vibracin en el campo lejano para cargas cilndricas, donde el anlisis dimensional sugiere que las distancias deben ser corregidas dividindolas por la raz cuadrada de la carga.Como se ha mencionado, los modelos de vibraciones que permitan predecir el nivel de vibraciones se pueden determinar a partir de mediciones de terreno, de estas mediciones se deben obtener principalmente tres antecedentes, a saber:

El nivel de vibraciones que genera la detonacin de una carga de explosivo. La cantidad de explosivo que genera cierto nivel de vibraciones, y La distancia a de la carga al punto a la cual se mide el nivel de vibraciones.

Tericamente, ste criterio es el que mejor representa el comportamiento de la vibracin, para el campo lejano (aproximadamente d > 3 largo de la carga

en la ecuacin de Devine est controlado por la geometra K est controlado principalmente por el explosivo y la eficiencia con la cual la presin de detonacin es transmitida a la roca circundante como un esfuerzo factores que controlan la transferencia de la energa del explosivo desde el taladro a la roca son la densidad y la VOD del explosivo, producto que representa la Caracterstica de Impedancia, Z.

En la tabla, se presentan diferentes valores para los parmetros del Modelo de Devine (K y Alfa), obtenidos en diferentes tipos de roca y distintas faenas mineras.

Esta variabilidad en los parmetros del Modelo de Devine, da cuenta de la gran importancia que tiene establecer para cada tipo de macizo rocoso en particular, la ecuacin de comportamiento de las vibraciones, la que est directamente relacionada con las propiedades geomecnicas, tipos de explosivos, aspectos geomtricos, etc., y por tanto, deben ser estimados como consecuencia de una campaa de monitoreo y modelamiento, en forma independiente no slo en cada mina si

Modelo de Campo Cercano:En el campo cercano (muy cerca de los taladros donde ocurre el fracturamiento), la ecuacin se debe modificar para tomar en cuenta la forma cilndrica larga de la carga.

Donde K, y son las mismas constantes que se muestran en la ecuacin de Devine y es la carga lineal cargada en el taladro (kg./m).

La ecuacin de H&P indica que el factor que tiene el mayor impacto en la vibracin peak y en el dao no es el peso de la carga por retardo como es evidente en la ecuacin de Devine, sino que ms bien la carga lineal, que se controla por una combinacin de dimetro del hoyo y densidad de carga.

Comparacin entre los Modelos de Devine y Holmberg & PerssonPara el modelamiento en el campo cercano, se requieren primero de datos vibracionales adquiridos lo ms cercano posibles a una carga explosiva tpica Por otra parte en el proceso de anlisis, se considera la carga explosiva en forma distribuida, tomando especial importancia los aspectos geomtricos y de distancia a la carga, longitud del taco, densidad lineal del explosivo, etc

diferencia del modelamiento tradicional con Devine que utiliza una sola distancia para el total de la carga explosiva, es decir, sta como concentrada en un punto, consideracin vlida para distancias de ms de 2 3 veces la longitud de la carga explosiva.

Debido justamente a esa diferencia de considerar la carga explosiva distribuida (Modelo Cercano de Holmberg & Persson) y la carga concentrada en un punto (Modelo Devine), es que ambos modelos difieren fuertemente en el rea ms cercana a la carga explosiva, producindose por parte del modelo Devine una sobre estimacin de las velocidades de partcula, como se puede apreciar en la grfica anterior

ESTIMACIN DE LA VELOCIDAD PICO DE PARTCULA CRTICAla Velocidad de Partcula Mxima (Crtica), PPVc, que puede ser soportada por la roca antes de que ocurra el fallamiento por tensin, es estimada conociendo la Resistencia a la Traccin t, el Mdulo de Young, E, y la Velocidad de propagacin de la Onda P, Vp, usando la ecuacin: PPVc = (t * Vp) / E

Finalmente, se estima que un nivel equivalente a la cuarta parte, es decir el 25% del valor de PPVc, es suficiente para iniciar extensin de fracturas preexistentes. Se sugiereocupar este nivel de PPVc, como lmite conservador y a partir del cual se deben controlar los diseos de carguo para que las voladuras no ocasionen dao al macizo rocoso.

Nos da a entender la gran importancia que tiene establecer para cada tipo de macizo rocoso en particular los lmites de dao, los que estn directamente relacionados con sus propiedades geomecnicas y por tanto deben ser estimados en forma independiente no slo en cada mina si no en cada dominio geomecnico de la misma.

El dao es causado principalmente por 3 mecanismos que son; la generacin de nuevas grietas en la roca al superar un nivel crtico de velocidad partcula, extensin y apertura de fracturas existentes por la accin de una excesiva presin de gases, y finalmente, la desestabilizacin de bloques, cuas, etc., debido a la alteracin de las propiedades de las estructuras geolgicas

MODELAMIENTO DE VIBRACIONES CAMPO LEJANO:DATOS DE LABORATORIO:seleccionadas de los tajeos 052, 828 y 002 Ensayo de propiedades fsicas Ensayo de compresin simple Ensayos de compresin triaxial Ensayos de constantes elsticasa)Ensayo de Propiedades Fsicas:

Los ensayos re realizaron segn la norma ASTM D 2216 98 Los resultados son los siguientes:

b)Ensayo de Compresin Simple Los ensayos se realizaron segn la norma ASTM D 2938 Los resultados son los siguientes:Nota: Estandarizado segn Protodyakonov (L/D = 2)

c) Ensayos de Compresin Triaxial Se ha ensayado 3 testigos por cada muestra entregada. Los ensayos se realizaron segn la norma ASTM 2664 95.

d) Ensayos de Propiedades Elsticas Los resultados son los siguientes:

Coeficiente o Relacin de Poisson es una medida de su fragilidad. Cuanto menor el radio de Poisson, mayor la propensin a rotura. Mdulo de Young Es una medida de la resistencia elstica o de la habilidad de una roca para resistir la deformacin. Cuanto mayor el mdulo de Young mayor dificultad para romperse.

e)Clculo de la Velocidad de Onda P:

Es la velocidad a la cual una roca transmitir las ondas de compresinClculo de ndice de calidad del tnel: Q Bieniawski 1979 RMR = 9 LnQ + 44 Q = Exp( RMR 44 )/9 Clculo de la velocidad de la onda P: Vp (m/s) Vp = (1000*Log Q )+ 3,500 Usualmente cuanto mayor sea la velocidad de la onda P, se requerir explosivo de mayor velocidad de detonacin para romperla.

ImpedanciaLa velocidad de la Onda P est relacionada directamente con la impedancia Esto significa que la onda explosiva se transmite tanto mejor a la roca cuanto ms se acerca la impedancia del explosivo a la de la

Los factores que controlan la transferencia de la energa del explosivo desde el taladro a la roca son la densidad y la VOD del explosivo, producto que representa la Caracterstica de Impedancia, Z.

Cuando la Caracterstica de Impedancia de la roca es igual a la Caracterstica de impedancia del explosivo, el 100% de la energa de choque en el taladro se transmite a la roca, (es decir no hay energa reflejada devuelta al taladro). Cuando la Caracterstica de Impedancia de la roca es mayor que la del explosivo (z < 1) el esfuerzo reflejado a las paredes del taladro es compresivo, y el esfuerzo inducido en la masa rocosa es mayor que la presin en el taladro, con un mximo esfuerzo del doble de la presin de taladro cuando z = 0. Cuando la Caracterstica de Impedancia de la roca es menor que la del explosivo (z > 1), el esfuerzo reflejado a las paredes del taladro es de tensin (reflected es negativo), y el esfuerzo inducido en la masa rocosa es menor que la presin en e taladro. La onda transmitida es siempre compresiva (el termino rock es siempre positivo

De la informacin anteriormente mencionada calcularemos la velocidad de la Onda P para los tajeos en estudio

B)CLCULO DE LA VELOCIDAD PICO DE PARTCULA CRTICA (VPPC)DE LOS TAJEOSPara realizar el modelamiento de las vibraciones antes vamos a realizar el clculo de la Velocidad Pico Partcula Crtica (VPPC) de los tajeos en evaluacin tanto con el uso de dinamitas como conel uso de emulsin.

C)MODELAMIENTO DE LOS TAJEOSComo se ha mencionado anteriormente, los modelos de vibraciones que permitan predecir el nivel de vibraciones se pueden determinar a partir de mediciones de terreno, de estas mediciones se deben obtener principalmente tres antecedentes, a saber:El nivel de vibraciones que genera la detonacin de una carga de explosivo. La cantidad de explosivo que genera cierto nivel de vibraciones, y La distancia a de la carga al punto a la cual se mide el nivel de vibraciones.

NORMATIVIDAD INTERNACIONAL EN EL MANEJO DE LAS VOLADURAS Todas estas normas han sido elaboradas en pases con condiciones de suelos y tipos de materiales y estructuras diferentes a las usuales en Per; su aplicacin local requiere entonces, como primer paso, un proceso de anlisis de estas normas, al encontrar la factibilidad de uso de las normas se realiza el proceso de adaptacin de ellas.

CRITERIO DE DAO:Intenso fracturamiento 4 * VPPC Creacin de nuevas fracturas 1 * VPPC Extender fracturas preexistentes * VPPC

Del modelamiento de los tajeos podemos elaborar los siguientes cuadros para determinar a que distancia comenz a haber dao debido a la voladura. Para ello se realizar una interpolacin de datos Para la elaboracin se consider las mayores y menores cargas de explosivos detonando en simultneo (carga

Vp = (1000*Log Q )+ 3,500

ConclusionesEl empleo adecuado del Monitoreo de Vibraciones producidas por las voladuras, es una tcnica que provee mltiples ventajas en trminos de poder examinar en detalle el proceso de la voladura, constituyndose en una muy buena herramienta para el diagnstico, ya que la adecuada interpretacin del registro de vibraciones permite determinar el grado de interaccin entre las variables de una voladura, pudindose evaluar por ejemplo: cargas detonando en una secuencia de encendido incorrecta; dispersin en los tiempos de encendido de los retardos; detonacin deficiente de cargas; detonaciones instantneas; detonacin de cargas adyacentes por simpata; adems de la cuantificacin de los niveles de velocidad, frecuencia, aceleracin y desplazamiento de las partculas de roca. En definitiva el rendimiento general del diseo.