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PREDICCIN DE FRAGMENTACIN: EL TIEMPO ES ORO?
SYMPOSIUM INTERNACIONAL DE PERFORACIN Y VOLADURA DE ROCAS HUARAZ 2010
Preparado porPaulo Aguilera Gerente de Nuevos Negocios y Aplicacin de ProductoJoao Campos - Vicepresidente Davey Bickford Latinoamerica
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Concepto de Prediccin
Una Visin al Futuro
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Concepto de Prediccin
Predecir el sueo del ingeniero. La ciencia lo ha hecho posible!!
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Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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La Voladura no es Ajena!!
Prediccin del Comportamiento del Material: Conocemos nuestros Materiales??
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Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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La Voladura no es Ajena!!
Prediccin del Comportamiento del Macizo Rocoso:
Conocemos nuestro Cerro??
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Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Fragmentacin e Ingeniera
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos6
Con qu problemas nos encontramos??
Modelos consideran geometra homognea
Modelos consideran cargas homogneas
Errores altos (aprox. 50%)
Datos Globales de la voladura
Desviaciones no consideradas
En general no consideran secuencia de salida
Problemas estadsticos (nmero de fotografas)
Ajustes de algoritmos
Depende de la mano
Errores altos (aprox. 50%)
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Fragmentacin
Debe ser econmicamente viable de obtener!
7Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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El Tiempo es Oro?.... (o cobre, o carbn o etc.)
Incidencia del Tiempo en la Fragmentacin Final
8Katsabanis et al., 2006
Fragmentacin v/s Tiempo de Retardo
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Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Precisin y Flexibilidad
La tecnologa de Detonadores Electrnicos ha abierto una ventana para conocer el efecto del tiempo en el resultado de la tronadura
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Campos y Cunningham, 2000
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Precisin y Flexibilidad
La tecnologa de Detonadores Electrnicos ha abierto una ventana para conocer el efecto del tiempo en el resultado de la tronadura
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Tronadura 548-22A disparada con 25ms entre pozos, 17ms de desface, 109ms la primera fila, 150ms para la segunda fila y 200ms para la tercera fila.
Tronadura disparada con 67ms entre pozos, 25ms de desfase la primera fila y 67 para las filas siguientes
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Precisin y Flexibilidad
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VARIACIN EN EXTREMOS
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Finos Top SizesTamao (mm)
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Lnea BaseSugerencias
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
CURVAS DE FRAGMENTACIN TRONADURAS POLPAICO
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Lnea BaseSugerencia
La tecnologa de Detonadores Electrnicos ha abierto una ventana para conocer el efecto del tiempo en el resultado de la tronadura
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Modelos de Fragmentacin y los Tiempos de Retardo
Una Mirada a la literatura: Modelos Estticos
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1933, Rossin-Rammler, describe la curva de distribucin de tamaos 1973, Kutznetzov plantea estimacin de tamao medio de la fragmentacin 1983, Hjelmberg actualiza modelo de Kuznetzov 1987, Cunningham, utiliza modelo de Kuz-Ram y de Kuznetzov, incluyendo
otros parmetros de prediccin, como Lilly (1986), modificado en el ao 2005 1999, Kanchibotla et al., plantea modificacin al modelo de Cunningham incluyendo un anlisis de la zona de los finos (Modelo de JKMRC)
2005, Ouchterlony plantea el modelo de Swebrec, que funciona en el rango de tamaos de 1 a 500mm (Modelo KCO)
2006, (Ken) Qian Liu plantea modificacin al modelo de Kuz-Ramm para minas subterrneas de roca dura
2006, Cceres, Katsabanis, Pelley y Kelebek plantean la utilizacin de redes neurales para modelar la fragmentacin por voladura
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Modelos de Fragmentacin y los Tiempos de Retardo
Deficiencias de los Modelos. Cunningham en 2005 plantea las siguientes deficiencias de los modelos:
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Parmetros no considerados Propiedades de la roca y estructuras Dimensiones de la tronadura (numero de pozos por filas y numero de filas) Dimensiones del banco Tiempos entre pozos y precisin de retardos Desempeo de la detonacin (VoD) Decking de aire, agua o taco Efectos de uniones en los seis bordes de la tronadura, afectados por
tronaduras anteriores o geologa localLimitada habilidad para medir la fragmentacin
Perdida de finos por viento, tronaduras secundarias, factores de la operacin, etc.
Dificultad en el escalamiento de los efectos de las tronaduras Experimentos en plstico transparente, bloques de concreto, test de
laboratorios, etc.Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Modelos de Fragmentacin y los Tiempos de Retardo
Consideracin del tiempo de retardo entre pozos realizada por Cunningham en 2005:
A partir de trabajos de Bergmann et al. (1974) y Winzer et al. (1979), que indican que el ptimo retado entre pozos para reducir el tamao de la fragmentacin es de 3ms/m de burden. Segn este trabajo, el tiempo ptimo entre pozos es dos veces el tiempo de propagacin de fracturas a lo largo del burden. Bergmann propone la siguiente ecuacin para encontrar el tiempo mximo para optimizar la fragmentacin:
Donde, Tmax es el retardo entre pozos en una fila para mxima fragmentacin (ms), Vp es la velocidad de onda compresiva (Km/s) y B es el burden.
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BV
TP
6.15max
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Modelos de Fragmentacin y los Tiempos de Retardo
Consideracin del tiempo de retardo entre pozos realizada por Cunningham en 2005:
Introduciendo el factor anterior en el Factor de Roca A,
Para 0 < T/Tmax < 1
Para T/Tmax > 1
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1258113066023
....maxmaxmax
TT
TT
TTAt
11090
max
..T
TAt
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Modelos de Fragmentacin y los Tiempos de Retardo
Consideracin del tiempo de retardo entre pozos realizada por Cunningham en 2005:
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Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Modelos de Fragmentacin y los Tiempos de Retardo
EFECTO DE LA TECNOLOGIA DE INICIACION ELECTRONICA
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X
t
X
rS TT
TR
6
Donde, Rs= razn de dispersin; Tr= rango de dispersin para el sistema de iniciacin (ms); Tx= retardo entre pozos deseado (ms); t= desviacin estndar del sistema de iniciacin (ms).
Mientras mas alto sea el valor de la razn de dispersin, menos uniforme ser la fragmentacin. El siguiente algoritmo ilustra el efecto esperado de precisin en los resultados de la tronadura:
Este efecto es descrito por Cunningham (2005) a travs de la ecuacin de la Razn de dispersin Rs, definida como:
8.0
41206.0
SS Rn
Donde, ns es el factor de uniformidad gobernado por la razn de dispersin.
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Discusin Propuesta MECANISMOS DE FRAGMENTACIN SIMPLIFICADOS
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Esquemticamente se muestra elproceso de detonacin y generacinde fragmentacin producido por unafila de barrenos
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Discusin Propuesta
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1. Al detonar la columnaexplosiva se genera una onda dechoque que produce una presinde detonacin, Pd. Esta onda sedenomina Onda P.
2. El paso de la onda de choqueproduce un esfuerzo en el macizorocoso que sobrepasa suresistencia en compresin dinmicaen un radio de 2 a 4 veces eldimetro del pozo.
2-4
1.- PRESION DE DETONACION Y ONDAS DE CHOQUE
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
MECANISMOS DE FRAGMENTACIN SIMPLIFICADOS
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Discusin Propuesta
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3. A medida que la onda avanza seatena superando ahora laresistencia en traccin de la roca(1/10 la resistencia en compresin),generando fracturamiento fresco enla roca, visible en superficie.
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
MECANISMOS DE FRAGMENTACIN SIMPLIFICADOS
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Discusin Propuesta
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4. La onda de choque sigueavanzando y atenundose, generandoun fracturamiento en la matriz de roca,no visible en superficie. Estefracturamiento va ms all de la zonadiseada, generando dao.
5. Comienza la generacin de gasesproveniente de la reaccin qumica delexplosivo. Estos penetran las fracturasgeneradas por la onda de choque y laspre-existentes en el macizo rocoso,extendindolas y produciendo movimiento,ayudando a la generacin de dao.
2.- EFECTO DE LOS GASES EN EXPANSIN
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
MECANISMOS DE FRAGMENTACIN SIMPLIFICADOS
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Discusin Propuesta
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6. La onda de choque sigue avanzando yatenundose, generando un fracturamiento en lamatriz de roca, no visible en superficie. Ademsexiste una reflexin de las ondas P, generandocomponentes de traccin. Este fracturamiento vams all de la zona diseada, generando dao. 7. Los gases siguen penetrando en las
fracturas contribuyendo a la generacinde dao
3.- EFECTO DE LA COLISIN
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
MECANISMOS DE FRAGMENTACIN SIMPLIFICADOS
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Discusin Propuesta
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ACCIN DE LA PRESION DE DETONACION Y ONDA DE CHOQUE
Software de utiliza el criterio de PPV Crtico
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Obtengamos una Zona y no un Dato
24Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Discusin Propuesta
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ACCIN DE LA PRESION DE DETONACION Y ONDA DE CHOQUE: EFECTO DINAMICO
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Discusin Propuesta
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ACCIN DE LA COLISIN DE FRAGMENTOS: EFECTO DINAMICOFragmentacin Gruesa Fragmentacin ptima Fragmentacin Gruesa
Iniciacin simultnea Aumento del Retardo Aumento del Retardo
F
r
a
g
m
e
n
t
a
c
i
n
H
o
m
o
g
n
e
a
La iniciacin simultanea probablemente generar una gran porcin de gruesos y finos, estos ltimos provenientes del entorno
inmediato al pozo escopetado
RETARDOS PIROTCNICOSRETARDOS ELECTRNICOS
La iniciacin simultanea probablemente generar una gran porcin de gruesos y finos, pero el
efecto de la dispersin homogeneizara la curva en alguna
proporcin
La precisin de los retardos generar una detonacin certera y la flexibilidad permitir encontrar el tiempo ptimo
El rango de tiempo puede entregar una curva aceptable, siempre dentro de
retardos ya establecidos, la dispersin hace la curva adems, ms
heterognea
A tiempos mayores que el ptimo ya deja de existir interaccin y colisin que permita mayor fragmentacin
A tiempos mayores que el ptimo ya deja de existir interaccin y colisin que permita mayor fragmentacin
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Discusin Propuesta
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Sector 1: No existe colisin, el primer pozo se mueve hacia la cara libre
rea de generacin de fracturamiento (degradacin de propiedades de la roca y explosivo)
rea de Colisin
Sector 2: Existe colisin entre el material proveniente del primer pozo y los sucesivos, este efecto se repite a lo largo de la fila.
rea de generacin de fracturamiento (degradacin de propiedades de la roca y explosivo)
rea de Colisin Mayorrea de generacin de fracturamiento y Dao
Sector 3: Existe colisin mayor entre el material de los ltimos pozos detonados y se genera Dao a la Roca ms all del ltimo pozo no detonado.
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Caso de Estudio
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Efecto del Tiempo para Modelar Curvas de Fragmentacin
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Caso de Estudio
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Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
Efecto del Tiempo para Modelar Curvas de Fragmentacin
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Caso de Estudio
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Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
Efecto del Tiempo para Modelar Curvas de Fragmentacin
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Modelo Propuesto
Cualquier modelo de fragmentacin puede ser utilizado (Kuz-Ram, Swebrec u otros)
Ya no se calibran para obtener una curva para la voladura completa, sino uno para cada pozo, con su respectiva caracterstica y parmetros de voladura
La degradacin de las propiedades de parmetros involucrados en el proceso dinmico de rompimiento y fragmentacin en el volumen aun no volado de la roca aun no son considerados. Los principales son:
Generacin de fracturas frescas de la matriz de rocaApertura de fracturas pre-existentes en el macizoCambio en las propiedades de propagacin de ondas del macizo (Vp)Cambio en los coeficientes de elasticidad de la roca y el macizo rocosoCambio en el desempeo del explosivo (VoD, densidad crtica, etc.)Etc.
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Correcciones al Modelo (I)
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Correcciones al Modelo (II)
Espaciamiento (12m)
Pozo 1 Pozo 2
Longitud del pulso 30ms Falla en
compresin
Falla en tensin
Frente P
Frente S
Fin SFin P
Crack Crack
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Correcciones al Modelo (III)
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Correcciones al Modelo (IV)
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Experimento
Ejemplo del Modelo
Para ilustrar el modelo global antes expuesto se realiza un experimento considerando una tronadura tipo con los siguientes parmetros:
Dimetro: 270mm Burden x Espaciamiento: Variable para el experimento N Pozos: 115 Retardo entre pozos: 7ms Vp inicial: 3500m/s Explosivo: Anfo Pesado 70/30
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Criterio Utilizado
Ejemplo del Modelo
Cambio en Vp
Arbitrariamente se establece que cada vez que el pozo en estudio estaba dentro del radio de creacin de
nuevas fracturas la propiedad Vp disminua en 200m/s, y cada vez que el pozo en estudio estaba dentro del radio de apertura de fracturas pre-existentes la propiedad Vp disminua en 100m/s, siempre con un lmite de 1000m/s, ms all del cual el material no
representa un material volable.
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Ejemplo del Modelo
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Ejemplo del Modelo
DISTRIBUCIN GRANULOMETRICA SIN CORREGIR
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Absolutamente dependientes de los retardos y la secuencia de iniciacin!!
Distribuciones Corregidas
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Determinacin de halos de influencia
Distribuciones Corregidas
Halos de influencia para el Pozo 281
Generacin de fracturamiento fresco
Apertura de fracturas pre-existentes
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Ejemplo del Modelo
DISTRIBUCIN GRANULOMTRICA CORREGIDA
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Ejemplo del Modelo
DISTRIBUCIN CORREGIDA Y SIN CORREGIR
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SIN CORREGIR CORREGIDA
DISTRIBUCIN CORREGIDA Y SIN CORREGIR
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SIN CORREGIR CORREGIDA
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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ISOCONTORNOS DE P80
Ejemplo del Modelo
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Conclusiones
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Desde la aparicin del modelo de fragmentacin de Kuz-Ram en el ao 1987 ha sido uno de los ms utilizados para la prediccin de fragmentacin en forma esttica, considerando los parmetros energticos (explosivo) y geomecnicos y estructurales del macizo rocoso, pero sin considerar el timing o secuencia de iniciacin (tiempos de retardo).
Variados trabajos realizados por DetNet y diversos autores han comprobado la importancia de la secuencia de iniciacin en el resultado final de la fragmentacin, sobretodo con la incorporacin de las tecnologas de iniciacin electrnica, que entregan precisin y flexibilidad al diseo.
Cunningham (2005) incorpor en tiempo de retardo en el modelo de Kuz-Ram a partir de trabajos realizados por Bergmann (1974), estableciendo un tiempo ptimo para obtener fragmentacin ptima (Tmax). Sin embargo no es considerada la forma y el tamao de la tronadura.
Es posible establecer criterios para evaluar la fragmentacin resultante de la aplicacin de una secuencia de iniciacin especfica a partir de los mecanismos de colisin y accin de la presin de detonacin como generador de fracturamiento.
La industria de la iniciacin de tronaduras, esto es las compaa que fabrican y distribuyen sistema de iniciacin, estn llamadas a continuar constantemente buscando caminos y maneras de obtener fragmentacin ptima y descubrir cuales son los mecanismos que la producen, ms aun con la incorporacin de tecnologas de iniciacin electrnica.
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Conclusiones (II)
La simulacin de la fragmentacin resultante de una tronadura es uno de los parmetros bsicos de xito, ya que de ella depende la eficiencia de procesos aguas abajo.
La simulacin de la fragmentacin por medio de variados modelos existentes es utilizada en general como una sola curva que describe la distribucin resultante, sin embargo, es mucho mas confiable obtener una distribucin de distribuciones que permita navegar dentro de un rea en donde existe una probabilidad de encontrar la curva resultante real.
Para la construccin de estas distribuciones corregidas es posible utilizar modelos de fracturamiento de la roca por tronadura, como por ejemplo la disminucin de Vp, PPV critico, Diagramas de Lagrange, etc.
Esta distribucin de distribuciones considera el efecto dinmico dentro del rea a tronar de los pozos detonados sobre aquellos pozos que aun no detonan, degradando o disminuyendo las propiedades tanto del macizo rocoso como del explosivo utilizado.
bacos de diseo son factibles de generar a partir del anlisis de zonas dentro de la tronadura con fragmentacin variada.
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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Conclusiones (III
Es necesario continuar investigando sobre cuales son las metodologas para obtener los coeficientes que determinarn la escala en que las propiedades del macizo rocoso o roca variarn ante la solicitacin generada por el efecto de la detonacin de otros pozos anteriores a su salida o detonacin.
bacos de diseo son factibles de generar a partir del anlisis de zonas dentro de la tronadura con fragmentacin variada.
Es necesario continuar investigando sobre cuales son las metodologas para obtener los coeficientes que determinarn la escala en que las propiedades del macizo rocoso o roca variarn ante la solicitacin generada por el efecto de la detonacin de otros pozos anteriores a su salida o detonacin.
Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos
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GRACIAS POR SU ATENCIN
(THANKS FOR YOU ATTENTION para los gringos)
(GRACIAS POR SU ATENSAOCIA para los brasileros)