Aplicación, Monitoreo y Control de las Vibraciones inducidas por la voladura de rocas para campo cercano

2da Asignación

INTRODUCCIÓNEn la actualidad las Empresas Mineras del Perú y el mundo poseen en su mayoría sus operaciones en las cercanías a las ciudades o poblados, la mayoría de empresas mineras posee en sus perímetros algún poblado o una casa. En nuestro país, gran parte de la minería superficial tiene que afrontar debido a esta situación, demandas y protestas de los dueños de estas casas por daños tanto materiales como de salud (Auditiva) debido a la actividad minera cercana. En los últimos años estas demandas han causado graves daños a la imagen de la minería, una imagen que se ha estado intentando cambiar durante mucho tiempo pero que debido a estos problemas en muchos lugares sigue siendo considerada como depredadora y dañina para sus vecinos.

Sin embargo, se le presta menos atención a aquellos aspectos que no influyen a cortoplazo en la producción de una operación minera. Tal es el caso del monitoreo de lasvibraciones en el campo cercano para el control de los taludes. A pesar quediariamente nos encontramos limitados por este fenómeno y que con el paso deltiempo será determinante para la continuidad de nuestras operaciones.

PARA QUE REALIZAR UN MONITOREO DE VIBRACIONES

Los objetivos para realizar un estudio de vibraciones son básicamente dos:

1. Conocer la ley de propagación de las vibraciones, para determinar después la carga máxima por retardo para una distancia dada y para el criterio de daño adoptado.

2. Conocer las frecuencias de vibración predominante para el macizo rocoso que se desea volar y establecer a continuación la secuencia de salida mas efectiva.

PARAMETROS QUE INFLUYEN EN LAS VIBRACIONES

• Geología Local y características de las rocas: En los macizos rocosos homogéneos y masivos las vibraciones se propagan en todas direcciones. En estructuras geológicas complejas, la propagación de ondas puede variar con la dirección y presentar diferentes tipos de atenuación y leyes de propagación.

• Cantidad de explosivo: Es el factor mas importante que afecta a la generación de vibraciones, a mayor carga explosiva, mayor magnitud de vibraciones.

• Distancia al punto de voladura: Al igual que la anterior tiene una gran importancia, conforme la distancia aumenta la intensidad de las vibraciones disminuye.

LA IMPORTANCIA DE LA MEDICIÓN DE VIBRACIONES

• Si se miden las vibraciones producidas por una Voladura se puede estimar la probabilidad de daño que el macizo rocoso puede sufrir.

• Se puede relacionar esta vibración con las variables que intervienen en la Voladura, pudiéndose utilizar para predecir las vibraciones producidas por voladuras futuras.

• Se puede utilizar el monitoreo de las vibraciones como una herramienta de diagnóstico, para determinar el grado de interacción entre las variables de la voladura.

CARACTERÍSTICAS DE LAS VIBRACIONES

Se producen tres tipos de ondas, dependientes de la dirección en que estas se mueven:ONDA LONGITUDINAL (P):Las partículas oscilan en la misma dirección de propagación.ONDA TRANSVERSAL (S):Las partículas oscilan en forma transversal a la dirección depropagación .ONDA SUPERFICIAL (L):Son generadas en la superficie en respuesta a la interacción de las ondas P y S en la superficie.

MONITOREO DE VIBRACIONES

Se puede realizar para Campo cercano (d<30 mts) y Campo Lejano(d>30 mts). Para realizar el monitoreo se utilizan equipos especializados los cuales constan de los siguientes componentes:

• TRANSDUCTORES (geófono) que se instala en forma solidaria a la roca.

• SISTEMA DE CABLES (paralelos) que llevan la señal captada desde el geófono al equipo.

• EQUIPO DE ADQUISICIÓN (sismógrafo), el cual recibe la señal y la almacena.

• COMPUTADOR. el cual tiene incorporado el software necesario para el análisis de la información.

Punto de Iniciación y Vibración CercanaExperimento con Cilindro de Resina

Cordón Detonante

Frentes de Onda

Punto de Iniciación y Vibración CercanaExperimento con Cilindro de Resina

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Punto de Iniciación y Vibración Cercana

ModeloExperimento

MODELO MATEMÁTICO DE HOLMBERG & PERSON

PARÁMETROS DE LA ONDA SINUSOIDAL• Como las ondas viajan con diferentes velocidades y los tiempos de retardo

utilizados en la voladura varían ampliamente, las ondas generadas se superponen unas con otras en el tiempo y en el espacio (por condiciones geométricas y secuencia de iniciación), por lo que resultan movimientos complejos, para analizarlas se requiere la utilización de sensores dispuestos según tres direcciones: radial, transversal y vertical.

• Donde: • A: Amplitud (Desplazamiento máximo

de un punto desde su posición de reposo.).

• V: Velocidad de Partícula (Velocidad a la que se desplaza el punto).

• a : Aceleración (Ritmo de cambio de velocidad).

• f : Frecuencia (Numero completo de oscilaciones o ciclos por segundo).

• T: Periodo (Inverso de la Frecuencia).

• Matemáticamente el desplazamiento “y” en cualquier instante equivale a:

• Siendo:

• La longitud de la onda “λ” para una velocidad de Propagación “Vc” es:

• Las relaciones entre el desplazamiento, la velocidad y la aceleración de partícula son:

• Cuando solo se tienen en cuenta los valores máximos absolutos de tales parámetros, las relaciones anteriores se convierten en:

MODELO DE CAMPO CERCANO “HOLMBERG & PERSSON”

• El análisis de los registros de vibraciones, permiten conocer la velocidad de partícula que genera cada carga o grupos de cargas en la voladura. Fue así como se obtuvieron datos de velocidad de partícula, distancia y carga por taladro, a la que se ajusto posteriormente la ecuación del modelo propuesto por Holmberg & Persson.

• Una vez determinada la ecuación de comportamiento de la vibración, fue ajustada a objeto de establecer un modelo más representativo y confiable. La corrección en cuestión consistió en desplazar paralelamente el modelo obtenido, de modo que cubriera un número mayor de puntos recogidos en terreno.

INFLUENCIA DE LAS VIBRACIONES EN EL CAMPO CERCANO

La velocidad vibracional de partículas se relaciona frecuentemente con la habilidad para inducir fracturas frescas, a través de la relación entre velocidad y deformación de partículas, y está también relacionada con la masa rocosa en la vecindad inmediata de los taladros, donde el impacto de la voladura es más pronunciado.

Esta ecuación representa la relación entre niveles de vibración máxima, PPV, y la deformación inducida ε para una masa rocosa de velocidad de onda compresiva Vp.

De la ley de Hooke, y asumiendo un fallamiento frágil de la roca, la velocidad pico partícula crítica, PPV critica, que puede resistir la roca antes que ocurra el fallamiento por tensión, se puede calcular conociendo la resistencia a la tensión σt, el módulo de Young E, y la velocidad de propagación de la onda P, Vp, usando la siguiente ecuación:

Holmberg & Persson (1979) estimaron una PPV para rocas ígneas duras entre 700 y 1000 mm/s. Aunque dichos niveles de vibración se consideraron indicadores confiables de daño incipiente, fácilmente observables, ocurren a valores 4 veces que para un daño incipiente.

En las tablas 1 y 2, se señalan el criterio de daño y algunas velocidades criticas para rocas comunes.

Donde “K” , “α” y “β” son constantes que pertenecen al macizo rocoso in – situ.

Tabla 1. Criterio de daño

Tabla 2. Velocidades críticas para rocas

La ecuación para la predicción de niveles de vibración en el campo cercano, que fue desarrollada por Holmberg y Person es la siguiente:

Donde K, α y β son constantes que pertenecen al macizo rocoso in – situ y γ es la densidad lineal del explosivo cargada en el taladro (kg./m).

Holmberg & Persson (1979) dieron valores de K, α y β de 700, 1.5 y 0.7 .

MINA LAGUNA NORTELagunas Norte se ubica en Los Andes peruanos, en el distrito de Quiruvilca, provincia de Santiago de Chuco, en la zona norte del país y a una altura entre 3.700 y 4.200 metros sobre el nivel del mar. Está situada a 140 kilómetros de la ciudad de Trujillo, capital de la Región La Libertad.El yacimiento a tajo abierto comenzó sus operaciones el segundo trimestre del 2005 -antes de lo programado- y significó una inversión en su construcción de 340 millones de dólares. Sobre la base de las reservas existentes, de 8,8 millones de onzas de oro, la vida útil esperada de la mina es de 10 años aproximadamente.

PROPIEDADES DE LA ROCA

La litología del lugar es de rocas areniscas y volcánicas.Las propiedades geomecánicas se obtuvieron en el laboratorio y con esainformación se obtuvo la velocidad teórica de la onda P(Vp) y la velocidad máxima que resiste la matriz antes de fallar (PPVc) necesarios para establecer criterios y niveles de daños en el macizo rocoso por efecto de la voladura.Donde:

Vp : Velocidad de la Onda PE: Modulo de Young (Pa)v: Coeficiente de Poissonρ: Densidad de la roca (Kg/m3)

CRITERIO DE DAÑO SEGUN VELOCIDAD PICO PARTICULA (PPVc)La velocidad pico de partícula critica que puede ser soportada por la roca antes de que ocurra la falla por tensión, puede ser estimada conociendo la resistencia a la tracción, el modulo de young dinámico y la velocidad de propagación de la onda P.Una vez establecida la magnitud de las PPVc se pueden definir criterios de daño según los efectos en el macizo rocoso.

Estos criterios permiten establecer aéreas afectadas a daño para ser considerado en los diseños de voladura.

Intenso fractura miento 4 PPVc

Se crean nuevas fracturas

PPVc

Se extienden fracturas pre existentes

1/4 PPVc

Estos criterios permiten establecer aéreas afectadas a daño para ser considerado en los diseños de voladura.El cuadro resumen viene a ser:

Litología Arenisca VolcanicaResistencia a la Compresión (Mpa)

180.1 99.8

Modulo E (Gpa) 74.5 25.7Coeficiente de Poisson 0.15 0.13Etonces Vp (m/s) 5609 3270Velocidad critica de vibracion (mm/s)

1356 1270

VOLADURA ALEXA 4170 La primera prueba se realizo en la zona de Alexa al norte de la mina. Se monitorearon las vibraciones generadas por una voladura convencional en roca arenisca. Detrás del contorno se ubico el geófono triaxial T1 a 8 m para registrar las vibraciones de todos los taladros y en especial el A10 que era el más cercano.

Características de la mallaDiámetro 9 7/8 PulgAltura de Banco 10 mBurden 6 mEspaciamiento 7 mRelación de diseño EquiláteroPasadura 1 mTaco 4.5 mLongitud de carga 6.5 mPeso carga explosiva 400.5 KgExplosivo HA46

En la línea de contorno se cargo con 6 metros de HA28 manteniendo el diseño de producción. La configuración de instrumentación fue la siguiente:

El sensor registra las ondas originadas por la detonación de los taladros A13, A12, A11 y A10. Según la secuencia y tiempos de detonación el sensor registro primero las ondas de A13 y luego los otros.

Este análisis en el entorno más inmediato y cercano a la voladura primaria utiliza como herramienta de cálculo la ecuación descrita por Holmberg y Persson.

Se presenta la tabla que relaciona las cargas de los taladros y las vibraciones generadas:

ID Taladro

Distancia al Geófono (m)

Longitud Carga (m)

Taco (m) Carga Total (Kg)

Tipo de explosivo

Timing (ms)

F H&P PPV (mm/s)

A13 22.6 5.4 4.0 260 HA28(0.86 gr/cc @ 48 Kg/m)

196 0.507 123

A12 16.1 5.8 4.0 280 HA28(0.86 gr/cc @ 48 Kg/m)

231 1.066 240

A11 10.4 5.8 4.0 280 HA28(0.86 gr/cc @ 48 Kg/m)

260 2.506 560

A10 7.3 5.8 4.0 280 HA28(0.86 gr/cc @ 48 Kg/m)

284 4.926 1406

El modelo predictivo de Holmberg & Persson relaciona las vibraciones generadas con el diseño de carga a una distancia particular. Con los datos obtenidos se puede ajustar estadísticamente la ecuación para el campo cercano en esas condiciones:

El criterio de daño del PPVc es el siguiente:

Litología Arenisca VolcánicoResistencia a la Compresión (MPa) 180.1 99.8Modulo E (GPa) 74.5 25.7Coeficiente de Poisson 0.15 0.13Calculo Vp (m/s) 5609 3270Velocidad critica de Vibración (mm/s) 1356 1270

Entonces para la roca arenisca de ALEXA se tienen los siguientes umbrales de máximos de vibraciones:

Intenso fractura miento 4 PPVc 5424 (mm/s)

Se crean nuevas fracturas PPVc 1356 (mm/s)

Se extienden fracturas pre existentes

1/4 PPVc 339 (mm/s)

Teniendo la ecuación de comportamiento de la onda en el macizo rocoso analizado, se construye las curvas predictivas de vibraciones para diversas alternativas de diseño:

Con este ábaco se puede estimar la distancia mínima para utilizar una configuración de carga particular si se desea prevenir daños mayores.Por ejemplo, a mas de 9m se puede emplear cargas de 6m de HA46 sin crear nuevas fracturas.

CONCLUSIONES-Los efectos de la voladura de rocas pueden controlarse para diferentes situaciones con el método presentado controlando los parámetros de diseño tales como malla de perforación, carga explosiva, secuencia de salida y otros.-Con los datos de laboratorio de los tipos de roca y sus propiedades geomecanicas se calculo la primera aproximación la velocidad de partícula critica (PPVc)-En el control de las vibraciones se correlacionan los modelos predictivos de propagación de las vibraciones con los criterios de los máximos permisibles para diferentes distancias y configuraciones de cargas explosivas.-Con este modelo fue posible comparar distintas alternativas de voladura de contorno, que en definitiva determina la calidad con que se deja la roca remanente, el cumplimiento de la geometría y diseño minero.

RECOMENDACIONES

• Controlar las vibraciones minimiza los daños que se generan después de la voladura de rocas.

• Realizar el uso de los modelos matemáticos existentes para el control de vibraciones.

• El monitoreo de vibraciones debe ser realizado por personal entrenado y experimentado para poder recabar información confiable y poder tomar decisiones correctamente.

BIBLIOGRAFIA

Modela miento de Vibraciones en el Campo Cercano Aplicado a Lagunas Norte ING. Miguel Lanata Rospigliosi.

Manual Práctico de Voladura EXSA

"Introducción a la Tecnología de Explosivos" Carlos Agreda T.

https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/tecnicos_extraccion_vibraciones.asp.

Notas del SIPERVOR 2011

GRACIAS