Ejercicio Diseño de Tuneles

Sr. Eliseo Ros, Consultor Tcnico Senior Minera Subterrnea

OMS Chile

Desarrollo Horizontal

Objetivos

Excavar un abertura artificial en la roca para algn objetivo como exploracin, produccin,

accesos, ventilacin, transporte etc., con requerimientos de mximo avance y mnimo dao.

Premisas a considerar:

Tamao de la frente, forma y dimensiones dependen del uso y estabilidad del terreno. Por razones de seguridad y para tener mayor vida til del tnel.

Tipo de Roca, Rx dura, media, blanda, con comportamiento plstico elstico, los factores geolgicos ( diaclasas, fallas, etc).

Marina, granulometra adecuada en funcin de los equipos de carguo. Evitar cachorreo o tronadura secundaria. Controlar proyeccin y ubicacin.

Explosivos, propiedades tericas ( calor y volumen de gases), propiedades prcticas ( VOD, densidad ). Aspectos ambientales (concentracin de gases ).

DESARROLLOS HORIZONTALES


Cara Libre: No tienen, salvo el propio frente de ataque. Se debe crear una cara libre con hueco en el centro. En general tiene un rea de 1 m2 , pero en tiros de mayor dimetro pueden llegar

hasta 4 m2.

Contorno: Los tiros de contorno son los que establecen la forma final del tnel, deben ser perforados hacia el interior del macizo rocoso para dejar el espacio a las perforadores para el

emboquillado y avance, se perforan con un reducido espaciamiento.

Rainura: La posicin de la rainura influye en el perfil del material tronado, en la fragmentacin y en el nmero de barrenos. De las tres posiciones de la rainura:

Al costado

Centrada inferior

Centrada superior

Generalmente se usa la ltima, el perfil de la pila es ms tendido, menos compacto y mejor

fragmentado.

Avance por Disparo: est limitado por el dimetro del barreno de expansin y la

desviacin de los barrenos cargados.

Si la desviacin es menor al 2%, los avances medios X pueden llegar al 95% de la

profundidad L

X = 0,95 * L

Para las rainuras de cuatro secciones L se puede estimar segn:

L = 0,15 + 34,1 * D2 39,4 * (D2)2 donde; D2 = Dimetro barreno vaco (m)

Cuando se utilizan rainuras con NB taladros vacos, en lugar de uno solo de mayor dimetro;

D2 = D2 * NB donde; D2 = Dimetro barrenos vacos


Cueles y Contracueles : La distancia el tiro central de expansin y los barrenos de la primera seccin no debe exceder de 1,7 D2 para obtener una buena salida y fragmentacin de la roca ( Langefors y Kilhstrm 1963)


La fragmentacin vara dependiendo del tipo de explosivo, caractersticas de la roca y distancia entre el barreno cargado y vaco. Para Burden mayores a 2D2 el ngulo de salida es demasiado pequeo y se produce una deformacin plstica entre los dos barrenos. Si el Burden es inferior a D2 , pero la concentracin de carga es muy elevada, se producir la sinterizacin de la roca fragmentada y el fallo del cuele. Se recomienda que los Burden se calculen segn: B1 = 1,5 * D2 Para una desviacin de perforacin superior al 1%: B1 = 1,7 D2 Ep = 1,7 D2 ( * L + e)

Ep = Error de perforacin (m). = Desviacin angular L = Profundidad de barrenos (m). e = Error emboquillado (m).

En la prctica si consideramos buena precisin de perforacin y un barden de acuerdo a lo recomendado , la concentracin lineal de carga se calcula de acuerdo a: q1 = 55 D1

Donde:

Q1 = Concentracin lineal de carga ( Kg/m). D1 = Dimetro de perforacin (m). D2 = Dimetro del barreno de expansin (m). B = Dimensin del burden (m). c = Constante de la roca. PRP Anfo = Potencia relativa en peso referida al Anfo.


B 1,5 x B D2 x c x 1 D2 2 0,4 PRP Anfo


Normalmente, los valores posibles de las concentraciones lineales de carga estn limitados, debido a que la variedad de explosivos encartuchados no es muy amplia. Esto significa que para una concentracin lineal fijada de antemano, puede determinarse la dimensin del burden a partir de la ecuacin anterior, , el clculo resulta un poco ms complejo. En la grfica siguiente se muestra la relacin entre la concentracin lineal de carga y burden mximo para diferentes dimetros de perforacin ( Larsson y Clark)


Sustituyendo B = 10,5 x 10 -2 (B1 Ep) x q1 x PRP Anfo D1 x c

Para el resto de las secciones, se considera que ya existen unos huecos rectangulares de ancho Ah y que se conocen las concentraciones lineales de carga q1. El burden se calcular a partir de : B = 8,8 x 10 -2 Ah x q1 x PRP Anfo D1 x c Cuando existe error de perforacin, la superficie libre Ah difiere de la distancia Ah en la primera seccin, por lo que: Ah = 2 (B1 Ep)

Este valor tiene que reducirse con la desviacin de los barrenos para obtener el burden prctico. B2 = B - Ep Existen algunas restricciones para B2, ya que para que no se produzca la deformacin plstica debe satisfacer que : B2 < 2 Ah Si esto no se cumple, se modificar la concentracin lineal de carga calculndola con : q1 = 540 D1 x c x Ah PRP Anfo Si la restriccin de deformacin plstica no es satisfactoria, es mejor elegir un explosivo de menor potencia, con el fin de optimizar la fragmentacin. Para que la rainura no pierda su carcter de cuatro secciones : B2 > 0,5 Ah


Gustafsson (1973) sugiere que el burden para cada seccin se calcule con: B2 = 0,7B. Las longitudes de los tacos se estiman con : T = 10 D1


Las rainuras en paralelo pueden presentar problemas de detonacin por simpata y desensibilizacin por precompresin dinmica. En el primer caso se puede presentar principalmente en los explosivos a base de nitroglicerina. El segundo fenmeno, puede afectar a muchos explosivos, particularmente al Anfo, ya que la onda de choque de una carga puede elevar la densidad de la carga adyacente por encima de la densidad crtica. Lo anterior se puede atenuar con un correcto diseo de secuencias de iniciacin, procurando que la detonacin sucesiva de cada barreno, se realice con un retardo suficiente para que la onda de choque del disparo anterior pase y el explosivo recupere su densidad y grado de sensibilidad normal. Hagan propone, para disminuir los problemas mencionados, realizar las rainuras, disponiendo de tres barrenos vacios de expansin de forma que acten de pantalla entre las dos cargas.

DESARROLLOS HORIZONTALES Zapateras: El burden de los barrenos dispuestos en filas, se calcula bsicamente, con la misma frmula que se emplea en las tronaduras de bancos, considerando que la altura de sta ltima es igual al avance de perforacin: B = 0,9 q1 x PRP Anfo c x f (S/B)

donde : f = Factor de fijacin. Generalmente se considera 1,45 para

tener en cuenta el efecto gravitacional y el tiempo de retardo entre barrenos.

S/B= Relacin entre el espaciamiento y el burden. Normalmente se considera igual a 1.

c = Constante de roca corregida. c = c + 0,05 para B > 1,4 m c = c + 0,7/B para B < 1,4 m En los barrenos de zapateras se debe considerar el ngulo de realce o inclinacin que se requiere para

dar un espacio para el emboquillado de la perforadora. Para un avance de 3 m, un ngulo de 3 ( 5 cm/m) es suficiente, aunque depender de las caractersticas del equipo. El nmero de barrenos viene dado por: donde: NB = AT= Anchura de tnel AT + 2L x sen + 2

B


El espaciamiento prctico para los barrenos de rincn ser: Sz = Sz L x sen El burden prctico Bz se obtiene a partir de : Bz = B L x sen - Ep Las longitudes de carga de fondo If y de columna Ic deben ser: If = 1,25 x Bz Ic = L - If - 10 D1 La concentracin de la carga de la carga de columna puede reducirse en un 70% de la de fondo, sin embargo por motivos de tiempo de preparacin se suele emplear la misma concentracin. El taco se fija en T = 10 D1 y la condicin que debe cumplir el burden es : B < 0,6 L


Descargas: El mtodo para calcular el diagrama de los barrenos de descarga es similar al empleado para los de zapateras, aplicando nicamente unos valores distintos del Factor de Fijacin y relacin Espaciamiento/Burden . La concentracin de la carga de columna, para ambos tipos de barrenos, debe ser igual al 50% de la concentracin de la carga de fondo.

DIRECCIN DE SALIDA DE LOS BARRENOS

FACTOR DE FIJACIN " f "

RELACIN S/B

Hacia arriba y horizontalmente 1,45 1,25

Hacia abajo 1,20 1,25


Contorno: Si la labor no requiere tronadura de contorno, los diagramas se calculan de acuerdo con lo indicado para los barrenos de zapatera, con los siguientes valores: Factor de Fijacin f = 1,2 Relacin S/B S/B = 1,25 Concentracin carga columna qc = 0,5 qf donde; qf = carga de fondo En el caso de tener que realizar tronadura de contorno el espaciamiento entre barrenos se calcula a partir de : Sc = K x D1 donde, K vara entre 15 y 16. La relacin B/S debe ser 0,8 La concentracin lineal de carga mnima se determina en funcin del dimetro de perforacin. Para barrenos con un dimetro inferior a los 150 mm se emplea la ecuacin : qlc = 90 x (D1)2 donde, D1 se expresa en m.


Ejemplo: Se desea excavar un desarrollo en roca con un constante c = 0,4, con barrenos paralelos y rainura de cuatro secciones, sabiendo que las dimensiones geomtricas y datos de perforacin son los siguientes: Ancho de la labor 4,5 m Altura 4,0 m Flecha del arco 0,5 m Dimetro de perforacin rainura (D2) 102 mm Dimetro de perforacin (D1) 45 mm ngulo barrenos de contorno ( ) 3 Desviacin angular () 10 mm/m Error de emboquillado (e) 20 mm

El explosivo a utilizar tiene una potencia relativa en peso de Anfo de 1,09 ( 109%) y los cartuchos disponibles tienen dimetros de 25, 32 y 38 mm, que dan lugar a unas concentraciones de carga, para una densidad de 1,2 g/cmm3, 0,59 , 0,97 y 1,36 kg/m respectivamente. Se pide calcular: diagrama de disparo ( rainura, zapateras, contorno techo y cajas, descargas), carga total de explosivos, rea de tnel, avance, volumen arrancado, consumo especfico de explosivo, N total de tiros, longitud total de perforacin y perforacin especfica.


Esquema geomtrico de la tronadura calculada.


Clculo Simplificado: Para un clculo ms rpido de las tronaduras de tnel con rainuras de barrenos paralelos de cuatro secciones, se puede aplicar las frmulas que se indican en las tablas siguientes: a) Rainura

b) Para calcular el resto de la tronadura , se parte de la dimensin del Burden B y concentracin lineal de carga en el fondo qf para el explosivo y dimetro utilizado. Las frmulas que se usan son:

qf = 7.85 x 10-4 x D2 x siendo: D = Dimetro cartucho explosivo (mm) = Densidad del explosivo (gr/cm3) B = 0.88 x qf 0.35

SECCIN DE LA RAINURA VALORES DE BURDEN

LADO DE LA SECCIN

Primera B1 = 1,5 D2 B1

Segunda B2 = B1 1,5 B2

Tercera B3 = 1,5 B2 1,5 B3

Cuarta B4 = 1,5 B3 1,5 B4

2

2

2

2

2

2 2

2 2 2

FONDO (Kg/m) COLUMNA (Kg/m)

Piso B 1,1 B L/3 qf qf 0,2 BCajas 0,9 B 1,1 B L/6 qf 0,4 qf 0,5 BTecho 0,9B 1,1 B L/6 qf 0,36 qf 0,5 B

DescargasHacia arriba B 1,1 B L/3 qf 0,5 qf 0,5 BHorizontal B 1,1 B L/3 qf 0,5 qf 0,5 B

Hacia abajo B 1,2 B L/3 qf 0,5 qf 0,5 B

TACO (m)

ZONA DE TRONADURA BURDEN (m)

ESPACIAMIENTO (m)

LONGITUD DE LA CARGA DE FONDO

(m)

CONCENTRACIN DE CARGA


Nmero de diapositiva 1Nmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18

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