PERFORACIÓN Y VOLADURA I

Calidad que se acredita internacionalmente

ASIGNATURA

PRIMERA UNIDAD

TEMA Nº 4 – MECANISMO DE ROTURA DE LA ROCA.

DOCENTE: Ing. Benjamín Manuel Ramos Aranda

Huancayo, 2015

Asignatura: Perforación y Voladura I

MATERIAL DE ESTUDIO:

TEMA Nº 4 – MECANISMO DE ROTURA DE LA ROCA.

MECANISMO DE ROTURA DE LA ROCA.

Compilado y adaptado de:

LÓPEZ JIMENO, Carlos; LÓPEZ JIMENO, Emilio; GARCÍA BERMÚDEZ, Pilar. Madrid: Ed. Entorno Gráfico Manual de Perforación y Voladura de Rocas.

Madrid, 2003. UBICACIÓN: Biblioteca UCCI: 622.23/L87

Material preparado con fines de estudio de alumnos del curso de Perforación y Voladura de

la Universidad Continental

'--"

-" Capítulo 16'--'"

'-"

~ " MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA/

"'-"

--.J 1. INTRODUCCION

--~

...J Durante la detonación de una carga de explosivo enel interior de la roca, las condiciones de solicitación

~ que se presentan están caracterizadas por dos fases deacción:

...J

1.a fase: Se produce un fuerte impacto debido a laonda de choque, vinculada a la Energía deTensión, durante un corto espacio detiempo.Actúan los gases producidos detrás de lazona de reacción que a alta presión y tem-peratura son portadores de la Energía Ter-modinámica o de Burbuja.

-"'

" 2.a fase:

/

"--./ Desde la década de los años 50, se han desarrollado

diversas teorías para explicar el comportamiento de lasrocas bajo los efectos de una explosión, siendo aún

/ hoy uno de los problemas a resolver y definir en latecnolo.gía de aplicación de los explosivos al arranque.

~ Prescindiendo de un análisis detallado de cada una de

/ esas teorías, se describen seguidamente los distintosmecanismos de rotura de la roca identificados en lasvoladuras en el estado actual de conocimiento."

/

" 2./

MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA

~-, En la fragmentación de materiales rocosos confex--.-/ plosivos intervienen, al menos, ocho mecanismos de

rotura, con mayor o menor responsabilidad, pero par-tícipes todos en los resultados de las voladuras.

-.-/

2.1. Trituración de la roca----...

/ En los primeros instantes de la detonación, la pre-sión en el frente de la onda de choque que se expandede forma cilíndrica alcanza valores que superan am-pliamente la resistencia ainámica a compresión de laroca provocando la destrucción de su estructura inter-cristalina e intergranular.

El tamaño del anillo de roca triturada aumenta con lapresión de detonación del explosivo y con el acopla-

- "/

-.-/

---/

miento de la carga a las paredes del barreno. SegúnDuvall y Atchison (1957) con explosivos de alta poten-cia y en rocas porosas puede llegar a tener un radiode hasta 8 D, pero lo normal es que oscile entre 2 y4 D.

En la Fig. 16.1, se muestra la variación de las tensio-nes de compresión generadas por dos cargas de ex-plosivo acopladas. La trituración de la roca se producea una presión de 4 GPa, por lo que la curva (A) delexplosivo que produce en la pared del barreno unatensión de 7 GPa tiene un gradiente de caída muyacusado, debido al gran aumento de superficie espe-cífica que tiene lugar durante la pulverización de laroca. Como el explosivo (B) no aumenta la superficieespecífica por trituración, presenta una pendiente decaída de tensión más atenuada que el (A).

lO,o

'O"-~zo¡¡;zWf-

DISTANCIA A LA PARED DEL BARRENO

Figura 16.1." Variación de la tensión de pico con la distancia ala pared del barreno (Hagan).

Según Hagan (1977) este mecanismo de rotura con-sume casi el 30% de la energía que transporta la ondade choque, colaborando en la fragmentación de la rocacon un volumen muy pequeño, del orden del 0,1% delvolumen total que corresponde al arranque normal deun barreno. No hay pues, ningún incentivo para utilizarexplosivos potentes que generen tensiones en la rocade las paredes de los barrenos muy elevadas, de ahíque en algunos casos se aconseje el desacoplamiento

209

de las cargas y el aumento de la «ES» a costa de la«ET».

2.2. Agrietamiento radial

Durante la propagación de la onda de choque, laroca circundante al barreno es sometida a una intensa

compresión radial que induce componentes de trac-ción en los planos tangenciales del frente de dichaonda. Cuando las tensiones superan la resistencia di-námica a tracción de la roca se inicia la formación de

una densa zona de grietas radiales alrededor de la zonatriturada que rodea al barreno.

lTe COMPREsrON

ITz TRAccrON

Figura 16.2. Agrietamiento radial.

El número y longitud de esas grietas radiales au-menta con:

1. La intensidad de la onda de choque en la pared delbarreno o en el límite exterior del anillo de rocatriturada, y

La disminución de la resistencia dinámica a

tracción de la roca y el factor de atenuación de laEnergía de Tensión.

2.

Detrás de esa zona interior de intenso agrietamiento,algunas fracturas progresan de forma importante dis-tribuidas aleatoriamente alrededor del barreno. La ve-

locidad de propagación de las grietas es de 0,15 a 0;-40 .~veces la de la onda de choque, aunque las primerasmicrofisuras se desarrollan en un tiempo m,vy pequeñodel orden de 2 ms.

Cuando la roca presenta fracturas naturales la ex-tensión de las grietas guarda una estrecha relación conéstas. Si las columnas de explosivo son intersectadaslongitudinalmente por fracturas existentes, éstas se

abrirán por efecto de la onda de choque y se limitará eldesarrollo de las grietas radiales en otras direcciones.

Las fracturas paralelas a los barrenos pero a algunadistancia de éstos, interrumpir?n la propagación de lasgrietas radiales. Fig. 16.3.

2.3. Reflexión de la onda de choque

Cuando la onda de choque alcanza una superficie

210

'--FRACTURAS CREADASPOR OESCOSTRAMIENTO

'-

ZONA DE INTENSAFRACTURACIQN RADIAL '--

'-

'-FRACTURAS RADIALESINTERCEPTADAS POR UNA JUNTA

JUNTA RELLENADE AGUA

~Figura 16.3. Agrietamiento radial y rotura por reflexión de la

onda de choque.

'-

libre se generan dos ondas, una de tracción y otra decizallamiento. Esto sucederá cuando las grietas radia-les no se hayan propagado más que una distancia "-equivalente a u n tercio de la que existe desde la carga aesa superficie libre. Aunque la magnitud relativa de las

energías asociadas a las dos ondas dependen del án- "-gula de incidencia de la onda de choque primaria, lafracturación es causada generalmente por la onda detracción reflejada. Si las tensiones de tracción su peranla resistencia dinámica de la roca se producirá hacia el '---interior el fenómeno conocido por descostramiento o«spalling». En las rocas las resistencias a tracción al-canzan valores entre un 5 y un 15 % de las resistencias a "-compresión.

El frente de la onda reflejada es más convexo que el

de la onda incidente, por lo que el índice de dispersión "-de la energía de la onda de tracción es mucho mayorcuando la superficie es cílíndri"ca, como la del barrenocentrál de un cuele, que cuando se dispone de unplano como sucede en una voladura. '--

'--

\.....

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Figura 16.4. Reflexión de una onda sobre una cavidad cilln-drica. '--

Este mecanismo contribuye relativamente poco alproceso global de fragmentación, estimándose que lacarga de explosivo necesaria para produci r la rotura dela roca por la acción exclusiva de la reflexión de la ondade choque sería ocho veces mayor que la carga nor-

"--

'--

"-

./mal. Sin embargo, en las discontinuidades internas delmacizo rocoso que están próximas a la carga, esto es adistancias menores de «150», y no se encuentran re-

/ llenas con material de meteorización, el efecto de estareflexión de las ondas es mucho más significativo porla diferencia de impedancias.

En la excavación de rampas 'inclinadas o pozos convoladuras debe comprobarse que los barrenos vacíosno estén llenos de agua con el fin de aprovechar los

/ efectos de este mecanismo de rotura.

/

,/ 2.4. Extensión y apertura de las grietas radiales

Después del paso de la onda de choque, la presión/ de los gases provoca un campo de tensiones cuasi-

estático alrededor del barreno. Durante o después dela formación de las grietas radiales por la componentetangencial de tracción de la onda, los gases comienzan

/ a expandirse y penetrar en las fracturas. Las grietasradiales se prolongan bajo la influencia de la concen-

'\ tración de tensiones en los extremos de las mismas. El,/ número y longitud de las grietas abiertas y desarrolla-

das depende fuertemente de la presión de los gases,por lo que un escape prematuro de éstos por un reta-

I cado insuficiente o por la presencia de alguna zonadébil del frente libre puede conducir a un menor apro-

, vechamiento de la energia del explosivo./

2.5. Fracturación por liberación de carga

Antes de que la onda de choque alcance el frentelibre efectivo, la energia total transferida a la roca por lacompresión inicial varía entre el 60 y el 70% de la

I energia de la voladura (Cook et al 1966). Después delpaso de la onda de compresión, se produce un estadode equilibrio cuasi-estático seguido de una caída sú-

" bita de presión en el barreno, debida al escape de losI gases a través del retacado, de las fracturas radiales y

al desplazamiento de la roca. La Energía de Tensiónalmacenada se libera muy rápidamente, generándose

/ solicitaciones de tracción y cizallamiento que provo-can la rotura del macizo. Esto afecta a un gran volumende roca, no sólo por delante de los barrenos, sinoincluso por detrás de la línea de corte de la voladura,habiéndose llegado a identificar daños a distancias devarias decenas de metros. Fig. 16.5.

I

.r

2.6. Fracturación por Cizallamiento

En 'formaciones rocosas sedimentarias cuando losestratos presentan distintos módulos de elasticidad oparámetros geomecánicos, se produce la rotura en losplanos de separación al paso de la onda de choque porlas tensiones diferenciales o cortantes en dichos pun-tos. Fig. 16.6.

CARGA DEEXPLOSIVO

ESTRATO X

FASE D

W[

TRACCI~N -- ---"'r

: B, ESTRATO Y

"Tiempo=ti h

Figura 16.6. Fracturación por ciza/lamiento (Hagan).

2.7. Rotura por flexión

Durante y después de los mecanismos de agrieta-miento radial y descostramiento: la presión ejercidapor los gases de explosión sobre el material situadofrente a la columna de explosivo hace que la roca actúecomo una viga doblemente empotrada en el fondo delbarreno y en la zona del retacado, produciéndose ladeformación y el agrietamiento de la misma por losfenómenos de flexión. Fig. 16.7.

2.8. Rotura por colisión

Los fragmentos de roca creados por los mecanis-mos anteriores y acelerados por los gases son pro-yectados hacia la superficie libre, colisionando entre. sí y dando lugar a una fragmentación adicional, quese ha puesto de manifiesto en estudios con fotogra-fías ultrarrápidas (Hino, 1959; Petkof, 1961).

l.".. -><, ,-,.,,-

t=O t=Xms t=2 X ms

Figura 16.5. Fracturación por liberación de carga.

211

Foto 16.1. Rotura de /a roca por f/exión (Nitro Nobe/).

",",~

RETACADO------------

CARGA~

Figura 16.7. Mecanismo de rotura por flexión.

212

3. TRANSMISION DE LA ONDA DE CHOQUEEN UN MEDIO ROCOSO

Como se ha visto anteriormente, la Presión de De-tonación puede expresarse de forma simplificadapor:

PD = Pe X VD 24

PD = Presión de detonación (kPa).

Pe = Densidad del explosivo (g/cm 3).

VD = Velocidad de detonación (mis).

La máxima Presión Transmitida a la roca equivale a:

2

PTm = 1+ nz

PD

donde «nz» es la relación entre la impedancia del ex-plosivo y la de la roca:

nz = Pe X VDPr x VC

siendo:

VC = Velocidad de propagación de las ondas en elmedio rocoso (mis).

Pr = Densidad de la roca (g/cm1).

Esto significa que la onda explosiva se transmitetanto mejor a la roca cuanto más se acerca la impe-dancia del explosivo a la de la roca, dado que "nz"tenderá hacia 1 mientras que "PT" lo hará simultá-neamente hacia "PD». La presión de la onda en laroca decrece con una ley exponencial, de modo quela tensión radial generada a una determinada distan-cia será:

G¡ = PB x [~;rdonde:

G¡ = Tensión radial de compresión.

PB = Presión en la pared del barreno.

rb = Radio del barreno.

DS = Distancia desde el centro del barreno al puntode estudio.

x = Exponente de la ley de amortig uación, que paracargas cilíndricas se aproxima a 2.

Si la onda en su camino encuentra materiales di-

versos, con impedancias diferentes, y en correspon-dencia con superficies de separación que puedenestar en contacto o separadas por aire o agua, la

../

transmisión de la onda de choque estará gobernada~ por la relación de impedancias de los distintos tiposJ de roca, pudiendo parcialmente transmitirse y al

mismo tiempo reflejarse en función de dicha rela-ción.

Cuando las impedancias de los medios son iguales..J (PrZx VCz = Prl X VC¡) gran parte de la energía se

transmitirá y el resto se reflejará, Ilegá,ndose a unasituación límite cuando (PrZ x VCz ~ Prl x VC!),

J como, porejemplo, entre roca y aire, donde se reflejarácasi la totalidad de la energía transportada por la onda

, de compresión en forma de tensión de tracción, pu-..J diendo adquirir especial importancia en el proceso de

rotura de la roca.Lo indicado es válido tanto para las presiones de las

ondas como para las energías transmitidas. Si la rela-../ ción de impedancias características de los dos medios

es:

../

n'z = Prl X VC!PrZ X VCz

../ se tend rá

/

PI

PT = 2 (1+n'z)

/FASE 1 FRENTE LIBRE

t IJ¡:Y/~/AY/~/-"iY/""'/"""'~,,- '~'~'~/-T/""h"""'/,q7,.('ONDAS """"

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FRENTELIBRE

./

./

./

PR = PI (1 - n'z)

(1 + n'z)

donde:

PI = Presión de la onda incidente.PT = Presión de la onda transmitida.PR = Presión de la onda reflejada.

4. RENDIMIENTO ENERGETICO DE LAS VO-LADURAS

La acción de los explosivos sobre las rocas es puesla resultante de un conjunto de acciones elementa-les, que actúan escalonadamente y en ocasiones deforma simultánea en pocos milisegundos, asociadasa los efectos de la onda de choque que transporta la«Energía de Tensión", y alas efectos de los gases deexplosión o «Energía de Burbuja». Fig. 16.8.

La energía total desarrollada por el explosivo ymedida por el método propuesto por Cole, puede ex-presarse entonces como la suma de esas dos com-ponentes.

FASE Iil FRENTE LIBREROCA ORIGINAL

\.. + PROYECTADA +

\,~~.. '1" j"~'~ . ' ..°:1 OtC"':"l'", .

.O~~~r ,ti

"PJ~"~.. '.' ~~ . . Q(Q ."1-.;~0'."'~~~~~~~~~~S:>~~-------

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FASE :sz: FRAGMENTACIONPOR COLlSION

POR ACCION DE LOS GASES

./Figura 16.8. Resumen de mecanismos de rotura.

./ 213

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E""Cod;'OOi"""~~_L.rE;,;;gcO ",,"midop"Ioofl""" ; """'"m",to

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Figura 16.9. Modelo de distribución de la energía del explosivo en una voladura."'-

EB=~Q

x Te3 (cal/g)

presenta en la Fig. 16.9, a partir de ensayos sobrebloques cúbicos de roca sumergidos en piscihas.Estos investigadores afirman que aproximadamenteel 53% de la energía del explosivo va asociada a laonda de choque. Este valor depende de las condicio-nes de experimentRción y pueden encontrarse re-sultados muy dispares que van desde el 5% al 50%de la energía total, según los distintos tipos de rocaque se desean fragmentar y la clase de explosivoempleado.

Así, en una roca dura, la Energía de Tensión de unexplosivo rompedor es más importante en la frag-mentación que la Energía de Burbuja, sucediendo locontrario en las formaciones blandas, porosas o fi-suradas y los explosivos de baja densidad.

De los ensayos efectuados por Rascheff y Goe-mans, se resume en la Tabla 16.1 el reparto de laenergía de la onda de choque:

"-ETD = ET + EB

donde:"'-

ET = 61 S p2 x dt (cal/g)"-

"'-

Estimaciones efectuadas por Hagan (1977) hanpuesto de manifiesto que solamente un 15% de laenergía total generada en la voladura es aprovechadacomo trabajo útil eh los mecanismos de fragmenta-ción y desplazamiento de la roca.

Rascheff y Goemans (1977) han establecido unmodelo teórico de reparto de energía, tal como se re-

'--

'--

'--TABLA 16.1. REPARTO DE LA ENERGIA DE LA ONDA DE CHOQUE

""'--

"

"

"

'-

214 "

.BLOQUE DE GRANITO VOLADURA BLOQUE DE

CON CONVENCIONAL GRANITOCONFINAMIENTO DE GRANITO SUMERGIDO

INFINITO EN BANCO EN AGUA

Pulverización 15% 15% 15%Fisuración radial

primana 3% 3% 2%

Prolongación defisuras 0% 16% 39%

Energía transmitida 82% 34% 22%

Energía aprovechada 18% 34% 56%

./Puede observarse que en las voladuras convencio-

nales en banco una gran parte de la energía de laonda de choque se transforma en energía sísmica

/ que da lugar a las vibraciones del terreno a, lacual se sumará parte de la energía de los ga-ses.

Los datos expuestos concuerdan bastante biencon los obtenidos por otros investigadores comoMancini y Occella.

./ No debe olvidarse, que para conseguir unos resul-tados óptimos en las voladuras es preciso no sólofragmentar la roca sino esponjarla y desplazarla unadeterminada distancia, por lo que los gases juegantambién en las últimas etapas un papel decisivo.

Lownds (1986) ha descrito, también, el reparto de laenergía del explosivo en el proceso de voladura de las

.J rocas, utilizando un modelo simplificado de interacciónroca-explosivo. El distribuye la energía en zonas dife-rentes relacionadas con la curva Presión-Volumen de

.1 los gases producidos en la explosión. Fig. 16.10.

./

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/

..; 4 5

VOLUMEN..;

Figura 16.10. DiagramaP-V de los gases de explosión,mostrando la distribución de la energía en la voladura.

/

)

Las energías asociadas con las diferentes zonasmostradas en la figura anterior son las que seJndican enla Tabla 16.2.

)

Inmediatamente después de la detonación del explo-sivo en el barreno, los gases a alta presión en el estadoinicial o de explosión P3 transmiten un impacto u ondade choque a la roca. Las tensiones producidas por estaonda, en la roca próxima al barreno, son superiores a laresistencia dinámica a compresión y a tracción de laroca. Se produce una trituración y una compresión de laroca alrededor del barreno, dependiendo de la presiónde explosión y la resistencia y tenacidad de la roca.Como la roca es triturada y comprimida el volumen delbarreno aumenta con una disminución correspondientede la presión, hasta que la tensión en la roca se equili-bra con la presión. Esto se muestra en la curva de la Fig.

/

/

I

TABLA 16.2

16.10 como P4, y se denomina estado de equilibrio. Eltrabajo realizado por el explosivo durante la expansiónes llamado energía de rotura, y consiste en la energíade tensión almacenada en la roca (Zona 2) y la energíacinética de la onda de choque (Zona 1). En el procesode voladura la energía de tensión cinética se pierdeesencialmente como trabajo útil y se manifiesta comoroca triturada en la proximidad inmediata del barreno yondas sísmicas propagadas en el terreno.

Las tensiones en la roca son el resultado de la pre-sión de barreno residual P4 que causa las fracturas. Losgases de explosión penetran en las grietas existentesentre el barreno y el frente libre, haciendc un trabajo útilde prolongación de las mismas que colaboran en lafragmentación y contribuyen a la proyección. Este pro-ceso termina más o menos, básicamente, cuando losgases alcanzan el frente libre. La presión de los gasesen el momento de escape se muestra como P5 en laFig. 16.10. En este instante la roca delante del barrenoes comprimida por los gases existentes en las grietascon una energía de tensión almacenada en la roca(Zona 4). Esta energía es considerada como insignifi-cante en la fragmentación y proyección de la roca.

Las energías de las Zonas 2 y 3 son las más útiles enla voladura de las rocas y es llamada Energía de Frag-mentación.

Parte de la energía de los gases en el momento de. escape (Zona 5) desplaza la roca, y es llamada Energía

de Proyección. Sin embargo, el resto de la energía de laZona 5, al escapar los gases, es perdida como calor y

" ruido.Aunqueeste métodode distribuciónde energía sim-

plificael procesode la voladuraaportaunavaliosaper-cepción de a dónde va la energía durante las diferentesfases del proceso. También proporciona una compara-ción aproximadade la magnitudde fasdiferentesfrac-ciones de energía utilizadas en las diversas fases de lasvoladuras cuando los gases de explosión se expandendesde la presión inicial en el barreno a la presión atmos-férica.

No toda la energía disponible es útil en la fragmenta-cióny proyecciónde la roca. Es,pues, posiblemejorarla eficiencia del proceso de voladura, utilizando explosi-vos idealeso no idealesdiseñadospara minimizarlaspérdidas de energía.

215

.1

zQlP3(f)/ Wa:(L

/

ZONA ENERGIA

1 Componente cinética de la energía de cho-que o tensión

2 Componente de tensión de la energla dechoque.

1+2 Energía rompedora.3+4 Energía liberada durante la propagación de

las grietas.2+3 Energía de fragmentación.

4 Energía de tensión en la roca en el instantede escape de los gases.

1+2+3+4 Energía de voladura5 Energía de proyección y pérdida de ener-

gía en el escape de los gases.1+2+3+4+5 Energía total disponible o valor de potencia

absoluta.