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Boletn de Ciencias de la Tierra

ISSN: 0120-3630

rbct@unalmed.edu.co

Universidad Nacional de Colombia

Colombia

DAZ-MARTNEZ, JUAN CARLOS; GUARN-ARAGN, MELISSA ANDREA; JIMNEZ-BUILES,

JOVANI ALBERTO

ANLISIS Y DISEO DE LA OPERACIN DE PERFORACIN Y VOLADURAS EN MINERA DESUPERFICIE EMPLEANDO EL ENFOQUE DE LA PROGRAMACIN ESTRUCTURADA

Boletn de Ciencias de la Tierra, nm. 32, 2012, pp. 15-21

Universidad Nacional de Colombia

Medelln, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=169525406003

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ANLISIS Y DISEO DE LA OPERACIN DE PERFORACIN YVOLADURAS EN MINERA DE SUPERFICIE EMPLEANDO EL

ENFOQUE DE LA PROGRAMACIN ESTRUCTURADA

ANALYSIS AND DESIGN OF DRILLING AND BLASTINGOPERATION ON OPEN PIT MINING USING FOCUS ONSTRUCTURED PROGRAMMING

JUAN CARLOS DAZ-MARTNEZIng., Universidad Nacional de Colombia, jcdiazmar@unal.edu.co

MELISSA ANDREA GUARN-ARAGNIng., Universidad Nacional de Colombia, maguariar@unal.edu.co

JOVANI ALBERTO JIMNEZ-BUILESPh. D.,Universidad Nacional de Colombia, jajimen1@unal.edu.co

Recibido para evaluacin: 27 Junio2012/ Aceptacin: 21 Septiembre: 2012 / Recibida Versin Final: 04 Diciembre 2012

RESUMEN: En este artculo se presenta el anlisis y el diseo de la operacin de perforacin y voladuras en minera de superficieempleando el enfoque de la programacin estructurada. El propsito de este trabajo es crear una interfaz, por medio de la cual se ingresan ladensidad del explosivo, dimetro e inclinacin de la perforacin, resistencia a la compresin de la roca y dimensiones del banco. Luego seobtiene el valor de las variables ms importantes que acondicionan el diseo de la operacin de perforacin y voladuras, tales como: alturadel banco, burden, espaciamiento, taco, carga del barreno, numero de barrenos, factor de carga, entre otras.Esta aproximacin permite disear la operacin de perforacin y voladuras en menor tiempo y disminuir el error humano que se tienepor el uso repetitivo de las frmulas para clculos de los parmetros involucrados en el diseo de la perforacin y voladura en minera desuperficie.

PALABRAS CLAVE:Perforacin, voladura, minera, minera ilegal, programacin estructurada.

ABSTRACT:This article show analysis and design drilling and blasting operation on surface mining it focus on structured programming.The idea about this article a program where you can introduce different variables like, explosive density, diameter, inclination drilling,compressive strength rock and rock mass design, after that, we get most important variables for this design like rock mass height, burden,spacing, hole charging , hole number, load factor.This article has allowed design drilling and blasting operation a lower time and get down mistake of the people that get it for repetitive useof calculation for parameter used in this design in drilling and blasting operation on surface mining.

KEYWORDS: Drilling, blasting, mining, illegal mining, structured programming.

1. INTRODUCCIN

En la ltima dcada la minera ha cobrado gran importancia

dentro del contexto nacional por su aporte a la economa,representada en el aumento de las exportaciones ycontribucin al crecimiento del producto interno brutocolombiano (Crdenas y Reina, 2008). El escenariominero nacional est dominado por los sectores aurferos,la industria del ferronquel y el sector carbonfero. Estosdos ltimos son posibles en su mayora por la aplicacinde los mtodos de minera a cielo abierto.

La optimizacin de las explotaciones mineras a cieloabierto, es en la actualidad, una herramienta que le permitea las diferentes empresas explotadoras de los recursos

minerales aumentar la vida de sus diferentes proyectosmineros, explotar recursos minerales de menor tenor,incrementar las reservas probadas del mineral de intersy obtener utilidades mayores, entre otros. Lo anterior seda como una funcin del planeamiento y diseo minero,teniendo en cuenta que un yacimiento mineral es un negocio(Hustrulid y Kuchta, 2006). La operacin de perforacin yvoladuras afectan el costo de la operacin directamente ylos costos operativos totales (Busuyi, 2009).

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En minera, la optimizacin se lleva a cabo mediantela evaluacin y anlisis de cada una de las operacionesunitarias necesarias para la extraccin del recurso mineralde inters (Afeni y Osasan, 2009). Una de estas, es laoperacin de perforacin y voladura, la cual es uno de los

mtodos de arranque de material ms utilizado, ya quepermite obtener mayor cantidad de material arrancado en untiempo ms cort (Melieh et al., 2009). Puede ser empleadoen rocas con diferentes propiedades fsicas y mecnicas,adems ofrece una adecuada fragmentacin del material,aspecto que es fundamental para la remocin y transportede material volado.

En este artculo se presenta el diseo y anlisis dela operacin de perforacin y voladura en minerade superficie. La metodologa utilizada fue laprogramacin estructurada, la cual permite disear y

analizar con facilidad algoritmos que por medio delingreso de datos (variables de entrada), y la ejecucinde ciertos clculos (procesamiento), es posibleencontrar la solucin a un determinado problema demanera secuencial.

Para el diseo de las voladuras es necesario realizarciertos clculos matemticos y tener en cuenta variasconsideraciones, que hacen de este, una operacincompleja. Debido a lo anterior, es necesario idear unmtodo que permita obtener un diseo de voladura mssencillo y en menor tiempo. Por tal motivo, se ha creadoun algoritmo, que permite calcular todas las variablesnecesarias para el diseo ptimo de la voladura,mediante el ingreso de datos claves para dicho clculo.

En el siguiente captulo se presenta el marco tericode referencia haciendo nfasis en la importancia de laoperacin de perforacin y voladuras en minera desuperficie. En los captulos tres y cuatro se exponen

las fases de la metodologa y anlisis de los resultadosrespectivamente; para finalmente en el captulo cinco

presentar las conclusiones.

2. MARCO TERICO DE REFERENCIA

2.1. La Perforacin de rocas

La perforacin es la primera operacin en la preparacinde una voladura (Karlinskiet al., 2009). Su propsitoes el de abrir en la roca huecos cilndricos destinadosa alojar al explosivo y sus accesorios iniciadores,

denominados taladros, barrenos, hoyos o blast holes.Esta operacin es necesaria para logar el confinamiento

del explosivo y aprovechar mejor las fuerzas expansivas(Yue et al., 2009).

Se basa en principios mecnicos de percusiny rotacin, cuyos efectos de golpes y friccinproducen el astillamiento y trituracin de la roca enun rea equivalente al dimetro de la roca y hastauna profundidad dada por la longitud del barrenoutilizado. La eficiencia en perforacin consiste en

lograr la mxima penetracin al menor costo (CentroTecnolgico de Voladura EXSA S. A, 2009).

Los mtodos de perforacin ms empleados son losmtodos rotativos y rotopercutivos (Franca, 2012).Siendo este ltimo el sistema ms clsico de perforacin

de barrenos. La perforacin a rotopercusin se basa enla combinacin de las siguientes acciones: percusin,rotacin, empuje y barrido (Wang et al., 2010).

La operacin de perforacin depende directamente dela dureza y abrasividad de la roca (Correa, 2009). Lafragmentacin de la roca se considera el parmetro msimportante en las operaciones de minera a causa de susefectos directos sobre los de perforacin y voladuras (Moriny Ficarazzon, 2006). La resistencia de la roca determina elmtodo o medio de perforacin a emplear: rotacin simple orotopercusin. Por lo general cuanto ms blanda sea la rocamayor debe ser la velocidad de perforacin. Por otro lado,cuanto ms resistente sea a la compresin, mayor fuerza ytorque sern necesarias para perforarla Centro Tecnolgicode Voladura EXSA S.A (2009).

2.2. Voladura

La voladura es uno de los medios principales deextraccin de minerales en las operaciones de mineraa cielo abierto. El propsito principal de la operacinde voladura es la fragmentacin de la roca y para esto

se requiere de una gran cantidad de explosivos. Losexplosivos liberan una gran cantidad de energa durantela explosin, en donde, slo el 20-30% es utilizada parala ruptura y el desplazamiento de las rocas, mientrasque el resto de esta energa es desperdicia en forma deefectos secundarios ambientales (Ghasemi et al., 2011).

La voladura se puede definir como la ignicin de una

carga masiva de explosivos. El proceso de voladura

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comprende el cargue de los huecos hechos en laperforacin. Con una sustancia explosiva, que al entraren accin origina una onda de choque y, mediante unareaccin, libera gases a una alta presin y temperaturade una forma substancialmente instantnea, paraarrancar, fracturar o remover una cantidad de materialsegn los parmetros de diseo de la voladura misma(Glosario Tcnico Minero, 2003).

La fragmentacin de rocas por voladura comprende ala accin de un explosivo y a la consecuente respuestade la masa de roca circundante, involucrando factoresde tiempo, energa termodinmica, ondas de presin,mecnica de rocas y otros, en un rpido y complejomecanismo de iteracin (Centro Tecnolgico deVoladura EXSA S. A, 2009).

La fragmentacin del macizo rocoso es causadainmediatamente despus de la detonacin. El efecto deimpacto de la onda de choque y de los gases en rpidaexpansin sobre la pared del taladro, se transfiere a

la roca circundante, difundindose a travs de ella enforma de ondas o fuerzas de compresin, provocndolesolo deformacin elstica, ya que las rocas son muyresistentes a la compresin. Al llegar estas ondas a lacara libre en el frente de voladura causan esfuerzosde tensin en la masa de roca, entre la cara libre yel taladro. Si la resistencia a la tensin de la roca esexcedida, esta se rompe en el rea de la lnea de menos

resistencia (burden). En este caso las ondas reflejadasson ondas de tensin que retornan al punto de origencreando fisuras y grietas de tensin a partir de los

puntos y planos de debilidad naturales existentes,agrietndola profundamente (efecto de craquelacin)(Centro Tecnolgico de Voladura EXSA S. A, 2009).

Casi simultneamente, el volumen de gases liberados y enexpansin penetra en las gritas iniciales amplindolas poraccin de cua y creando otras nuevas, con la que se producela fragmentacin efectiva de la roca. Si la distancia entre eltaladro y la cara libre est correctamente calculada la rocaentre ambos puntos ceder. Luego los gases remanentesdesplazan rpidamente la masa de material triturado haciaadelante, hasta perder su fuerza por enfriamiento y poraumento del volumen de la cavidad formada en la roca.En este momento en que los fragmentos o detritos caen yse acumulan para formar la pila de escombros o materialvolado. Concluyendo de esta forma el proceso de voladura(Centro Tecnolgico de Voladura EXSA S. A, 2009).

3. METODOLOGIA

En este captulo se presenta la descripcin de lasvariables de diseo de las voladuras (variables deentrada) y el algoritmo empleando para el clculode los parmetros que acondicionan la operacin deperforacin y voladura.

3.1. Variables de diseo de las voladuras

3.1.1. Dimetro del pozo (D): es el dimetro conel que se construye el barreno de perforacin, estedepende principalmente del equipo que se empleapara su construccin (Centro Tecnolgico de VoladuraEXSA S. A, 2009).

3.1.2. Inclinacin de la perforacin: el componente

principal del movimiento de las rocas es perpendicularal eje de los barrenos, por lo que cuando estos seinclinan el material se proyecta hacia arriba y haciaadelante (Long, 2003).

En teora, el desplazamiento horizontal es mximocuando el ngulo de los barrenos es de 45, pero enla prctica lo habitual es utilizar inclinaciones nosuperiores a los 30. Esto es debido a las caractersticasde los equipos de perforacin, que en algunos casos,incluso aconsejan la perforacin vertical, como sucedecon los grandes equipos rotativos con rocas duras(Centro Tecnolgico de Voladura EXSA S. A, 2009).

3.1.3 Densidad del Explosivo: es el peso especfico g/cm3(a mayor densidad, mayor potencia),vara entre 0,7a 1,6 g/cm3. Todo explosivo tiene una densidad criticaencima de la cual ya no detona (Karlinsku et al., 2008)

3.1.4 Resistencia a la compresin de la roca (c): es lapropiedad mecnica de la roca de oponerse a las fuerzasde compresin y tensin (Yilmaz, 2009). Esta propiedaddetermina la energa que se necesita aplicar para la

perforacin del macizo rocoso y acondiciona en granparte los parmetros y caractersticas de la operacin deperforacin y voladura (Zhantao e Itakura, 2012).

3.1.5 Dimensiones de la voladura: comprende el reasuperficial delimitada por el largo del frente y el ancho

o profundidad del avance proyectado (m2) por la alturade bando o de corte (H), en m3(Centro Tecnolgico deVoladura EXSA S. A, 2009).

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Las variables de diseo de voladura descritas anteriormente,son las que se utilizan como variables de entrada en elalgoritmo para el diseo de la operacin de perforaciny voladura. Dichas variables nos permiten obtener comoresultado, parmetros fundamentales como el burden (B),

espaciamiento (E), altura de banco (H), taco (T), sobreperforacin (SP), volumen de carga (VC), factor de carga(PF), entre otras, que influyen directamente en la ejecucin

de la voladura en minera de superficie.

Figura 1: variables de diseo en Voladura en banco.Tomado de Centro Tecnolgico de Voladura EXSA S. A, 2009

3.2. Algoritmo

El propsito de esta fase es mostrar el algoritmoempleado que permite realizar los clculos de losparmetros fundamentales en el diseo de perforaciny voladura.

Para dicho objetivo, se definieron cuatro funciones

en un mdulo, como se puede observar en la tabla 1.Estas funciones permiten calcular los valores de losparmetros: Volumen de carga (VC), carga del barreno(CP), Volumen del material removido por barreno(BCM) y el factor de carga (PF).

Tabla 1: Mdulo de funciones.

Mdulo 1 : Creacin de Funciones

Function VC(D As Single, L As Single, T As Single) As Single VC = (3.1416 * (L - T) * ((D / 1000) ^ 2)) / 4End Function

Function CP(VC As Single, D As Single) As Single CP = VC * DEnd Function

Function BCM(B As Single, E As Single, H As Single) As Single BCM = B * E * HEnd Function

Function PF(CP As Single, BCM As Single) As Single PF = CP / BCM End Function

Luego de definir las funciones, se presenta elalgoritmo que permite lectura de las variables deentrada y el clculo de cada uno de los parmetrosnecesarios para la voladura.

En el diseo del algoritmo se utiliz un condicionalsimple que permite realizar el clculo de los diferentes

parmetros teniendo en cuenta la resistencia a lacompresin de la roca, es decir, si se trata de una roca

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dura (c > 120 MPa) o una roca blanda (c < 120 MPa).

En la tabla 2, se describe de forma sistemtica yordenada a travs de un pseudocdigo el algoritmo

que se ejecut para el clculo de los diferentesparmetros en el diseo de la operacin deperforacin y voladuras en minera de superficie.

Tabla 2: Pseudocdigo para el clculo de los parmetros de perforacin y voladura.

Fuente: Elaboracin propia.

4. ANLISIS DE RESULTADOS

Para comparar y valorar los resultados obtenidos tras eldiseo de este algoritmo, se presenta a continuacin unatabla comparativa, entre el modelo tradicional del diseo

de voladura y el algoritmo realizado en este artculo.

Adicionalmente se presenta un ejemplo donde seejecuta el algoritmo para el clculo de los parmetrosen la operacin de perforacin y voladuras.

Tabla 3: Comparacin entre el mtodo tradicional y el algoritmo diseado.Fuente: Elaboracin propia.

MTODO TRADICIONAL ALGORITMO

Requiere ms tiempo para el clculo de los diferentes parametros. Permite el clculo de los diferentes parametros prcticamente de formainstantanea.

Mayor posibilidad de equivocarse debido al error humano. Menor posibilidad de error.

Se deben realizar operaciones matemticas, que se vuelven tediosasy algunas veces complejas.

No es necesario concer las frmulas, puesto que el algoritmo las tiene implicitasen su diseo.

Dificultad en la obtencin de resultados, influyendo negativamente

en la interpretacin de dicha informacin.Facilidad en la obtencin de resultados: de forma ms organizada y estructurada.

Mayor inversin de capital humano y tiempo lo que se traduce enmayores costo.

Menor inversin en capital humano y ahorro de tiempo lo que para el sectorminero significa disminucin de costos.

Poca optimizacin en la metodologa aplicada para el clculo de losdiferentes parametros.

Optimizacin en la metodologa aplicada para el clculo de los diferentesparametros.

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A continuacin en la figura 2 se muestra un ejemplo

de los datos arrojados por el algoritmo, para unavoladura con un dimetro de perforacin de 76mm,

una inclinacin de 10 y una densidad de explosivode 804kg/m3,

para una roca dura con resistencia a lacompresin de 180Mpa.

Figura 2: Ejemplo.

Teniendo en cuenta los datos suministrados en el

ejemplo anterior fueron obtenidos los siguientesresultados:

El volumen de material a volar es de 45.600m3, parael cual se necesitan aproximadamente 37.058Kg deexplosivo, con un total de 2.732 barrenos, espaciados2m y cargados cada uno con aproximadamente13,562Kg de explosivo y un taco de 1,52m.

La relacin entre el peso de explosivo utilizado y elvolumen de material roto, es decir, el factor de carga(PF) para este caso en particular fue de 0,813Kg/m3.

5. CONCLUSIONES

En el caso en el cual el nico problema a resolver esel clculo de las variables o parmetros empleandolas frmulas empricas en el diseo de la operacinde perforacin y voladuras, el uso del algoritmopresentado en este trabajo es vlido. Sin embargo

debe tenerse encuentra que el programa solo est

diseado para arrojar los resultados, y que la correctainterpretacin o no de estos depende directamente dela preparacin y facultad que posea la persona a cargo.

Este algoritmo a diferencia del mtodo tradicional omanual ofrece la posibilidad de disear la operacin deperforacin y voladuras en menor tiempo, prcticamentede forma instantnea puesto que no es necesarioconocer las frmulas para el clculo de los diferentesparmetros, ya que el algoritmo las tiene implcitas ensu diseo. Adems con la aplicacin del algoritmo seevita incurrir en el error humano que se tiene por el

uso repetitivo de las frmulas para el clculos de losparmetros involucrados en el diseo de la perforaciny voladura en minera de superficie.

Los mtodos expuestos en este artculo pueden seraplicados de forma manual, aunque es un proceso quesuele convertirse en largo, complejo y tedioso, debidoa las numerosas frmulas y consideraciones que debentenerse en cuenta, en especial al momento de considera

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el valor de la resistencia a la compresin de la roca,parmetro que acondiciona todo el proceso.

La mayor ventaja que ofrece el algoritmo presentado eneste artculo es la facilidad y rapidez con que se obtienen

las diferentes variables que acondicionan la operacinde perforacin y voladura, puesto es solo cuestin deingresar los datos de entra a la interfaz para conocer elvalor de dichas variables. Esta ventaja que permite elalgoritmo se traduce en ahorro de tiempo, lo cual para laindustria minera es sinnimo de disminucin de costos.

El diseo y anlisis de la operacin de perforacin yvoladuras por medio de la aplicacin de la programacinestructurada permite obtener la informacin de formams atractiva, es decir, ordenada, estructurada,simplificada y lo que es mejor en menor tiempo.

Enriqueciendo de esta manera la operacin deperforacin y voladura en minera de superficie.

AGRADECIMIENTOS

El trabajo que se describe en este documento formaparte del programa de investigacin: Plan de Accinpara el fortalecimiento de los grupos de InvestigacinInteligencia Artificial en Educacin y Diseo Mecnico

Computacional (cdigo Hermes: 14198) patrocinadopor la Vicerrectora de Investigacin de la UniversidadNacional de Colombia.

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