Cap.4 perforacion y voladura

Curso: Geología aplicada

CAPITULO III: PERFORACIÓN Y VOLADURADocente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFacultad de INGENIERÍA

Escuela Académico Profesional de INGENIERÍA HIDRÁULICA

• Capítulo IV: PERFORACIÓN Y VOLADURA

– Tipos de perforación de acuerdo a la naturaleza de las rocas.

– Técnicas de tabulación: taladro' Voladura' Explosivos

– Clases de explosivos más usados.

• Cálculo del material. Técnicas de voladura

Docente: Ing. Wilver Morales Céspedes wmorales @unc.edu.pe



SECUENCIAS DE PERFORACIÓN Y VOLADURA

• 1- EXPLOSIVOS Y CLASIFICACIÓN DE EXPLOSIVOS

• 2- CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS

• 3- ROCAS

• 4- GEOLOGÍA Y SUS EFECTOS EN VOLADURAS

• 5- PERFORACIÓN Y TIPOS DE PERFORACIÓN

• 6- VOLADURA

• 7- SEGURIDAD EN EL USO DE EXPLOSIVOS




Los materiales explosivos son compuestos o mezclas de sustancias en

estado solido, liquido o gaseoso, que por medio de reacciones químicas de

oxido reducción, son capaces de transformarse en un tiempo muy breve, del

orden de una fracción de microsegundo, en productos gaseosos y

condensados, cuyo volumen inicial se convierte en una masa gaseosa que

llega a alcanzar muy altas temperaturas y en consecuencia muy elevadas

presiones.




EXPLOSIVOS

•estos fenómenos son

aprovechados para realizar

trabajo mecánico aplicado en el

rompimiento de materiales

pétreos en lo que constituye la “

técnica de voladura de rocas”

CLASIFICACIÓN DE EXPLOSIVOS

• En términos generales los explosivos por su forma de reacción se clasifican en: explosivos químicos y explosivos nucleares.

• Los explosivos químicos actúan por procesos de reacción química de detonación producidos por efecto de una onda de choque. Están mayormente vinculados a compuestos nitrados y son los de aplicación común en minería y construcción civil.

• Los nucleares están vinculados a la desintegración de materiales como uranio 235 y plutonio, proceso que desprende inmensas cantidades de energía.




Los explosivos químicos se clasifican en dos grandes grupos según la velocidad de su onda de choque o velocidad de reacción:

A. Explosivos rápidos o altos explosivos: de 2 500 a 7 000 m/s.

• 1- dinamitas (Gelatinas, Semigelatinas, Pulverulentas y Especiales

• 2- Explosivos permisibles o de seguridad para minería de carbón

• 3 Explosivos acuosos, a) Explosivos hidrogel (sensibles al fulminante) b) Emulsiones explosivas (sensibles al fulminante)

• 4- Explosivos especiales

B. Explosivos lentos o deflagrantes: menos de 2 000 m/s

• 1. Hidrogeles o slurries

• 2. Emulsiones

• 3. Agentes mixtos (emulsión/ANFO o ANFOs pesados)




LOS EXPLOSIVOS QUÍMICOS

CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS

• Son las propiedades físicas y químicas que tienen relación directa con su condición de estado.




ALGUNAS PROPIEDADES:a- Plasticidad, b- Viscosidad, c- Fluidez, d- Flujo, e- Compactación, f- Friabilidad, g- Homogeneidad, h- Porosidad

•Unas determinan su aspecto y estado físico, otras su factibilidad de empleo con seguridad en determinadas condiciones de la roca y del medio ambiente. Finalmente otras determinan el rendimiento del explosivo en su aplicación en voladura; a estas últimas se las conoce como “propiedades de tiro”.

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS

• Dada la amplitud de los conceptos geológicos, sólo como referencia se presenta una descripción elemental de los tres grupos en los que se las ha clasificado, por su origen y características:– 1. Rocas ígneas.

– 2. Rocas sedimentarias.

– 3. Rocas metamórficas.




SELECCIÓN DE ROCAS PARA VOLADURA

Para propósitos de voladura las rocas suelen ser clasificadas en dos grandes grupos:

1. Rocas ígneas y metamórficas

• Son usualmente las más duras de perforar y difíciles de volar.

• Por su origen plutónico o volcánico y también son abrasivos de acuerdo al contenido de sílice.

2. Rocas sedimentarias

• Cuanto más masivas sean y cuanto más definido y amplio el bandeamiento, más difíciles son de volar eficientemente. Algunas areniscas y calizas pueden presentar problemas difíciles de voladura.




CARACTERÍSTICAS DE LA ROCA

Las características geológicas y mecánicas, además de las condicionesdel estado de las rocas a dinamitar, determinarán realmente el tipode explosivo que deberá emplearse para fracturarlas eficiente yeconómicamente. Algunos parámetros de la roca como:

a) Densidad o peso específico.

b) Compacidad y porosidad.

c) Humedad e inhibición.

d) Dureza y tenacidad.

e) Frecuencia sísmica.

f) Resistencia mecánica a la

compresión y tensión

g) Grado de fisuramiento.

h) Textura y estructura geológica.

Variabilidad.

i) Coeficiente de expansión o

esponjamiento.




GEOLOGÍA Y SUS EFECTOS EN VOLADURA

• ESTRUCTURA DE LAS ROCAS

Debido a su formación, edad y a los diversos eventos geológicos que han sufrido, las rocas presentan diversas estructuras secundarias que influyen en su fracturamiento con explosivos.

• Entre ellas tenemos:

A. Estratificación o bandeamiento (bending, layering)

B. Esquistocidad

C. Fractura (joints, fisuras o juntas)

D. Fallas (faults)

E. Contactos




INFLUENCIA DE ESTAS ESTRUCTURAS

• Las principales desventajas que presentan son la pérdida de energía por fuga de gases y la perforación de pedronessobredimensionados.




Rumbo y buzamiento (strike and dip) de estratos y fallas

El rumbo indica la dirección de la estructura (con relación a los puntos cardinales o norte geográfico) y el buzamiento el ángulo de inclinación con respecto a la horizontal. Ambos indican cuando o no los taladros atravesarán perpendicular o transversalmente a las estructuras.




A. Rumbo en ángulo con la cara libre

Fracturas o fallas en ángulo con la cara libre

contribuyen a mejor fragmentación con aceptable

rotura final y rotura hacia atrás (back break). Buena

condición para voladura.

B. Rumbo perpendicular a la cara libre

Fractura o fallas perpendiculares a la cara libre (entre

los espaciamientos de taladros) tienden a contribuir

con rotura de bloques, poca rotura final y considerable

rotura hacia atrás. Mala condición para voladura.

C. Rumbo paralelo a la cara libre

Fallas y fracturas provocan fracturamiento

sobredimensionada, mala rotura final pero

generalmente una pared posterior estable. Mala

condición para fragmentación por voladura.




Efectos negativos en la performance de la voladura:







Estructuras inestables

En muchas canteras y tajos abiertos, por razones geológicas y de estabilidad

de taludes se presentan problemas de deslizamientos de diferentes tipos y

proporciones, que comprometen la seguridad de las operaciones. Estos

deslizamientos están vinculados a fallamiento, presencia de agua, roca

alterada o descompuesta, presencia de material arcilloso, taludes de banqueo

muy empinados que crean zonas críticas. En los gráficos siguientes se

muestran algunos ejemplos gráficos.

PERFORACIÓN Y TIPOS DE PERFORACIÓN

• La perforación es la primera operación en la preparación de una voladura. Su propósito es el de abrir en la roca huecos cilíndricos destinados a alojar al explosivo y sus accesorios iniciadores, denominados taladros, barrenos, hoyos o blastholes.

• Se basa en principios mecánicos de percusión y rotación, cuyos efectos de golpe y fricción producen el astillamiento y trituración de la roca en un área equivalente al diámetro de la

• broca y hasta una profundidad dada por la longitud del barreno utilizado. La eficiencia en perforación consiste en lograr la máxima penetración al menor costo.




La perforación se efectúa por los siguientes medios:

• 1. Percusión, con efecto de golpe y corte como el de un cincel y martillo. Ejemplo, el proporcionado por los martillos neumáticos pequeños y rompepavimentos.

• 2. Percusión/rotación, con efecto de golpe, corte y giro, como el producido por las perforadoras neumáticas comunes, tracdrills, jumbos hidráulicos.

• 3. Rotación con efecto de corte por fricción y rayado con material muy duro (desgaste de la roca, sin golpe), como el producido por las perforadoras diamantinas para exploración.

• 4. Fusión (jet piercing) mediante un dardo de llama que funde roca y mineral extremadamente duro como la taconita (hierro), método aplicado en algunos yacimientos de hierro NA




• EQUIPOS DE PERFORACIÓN

Actualmente se emplean tres tipos de máquinas perforadoras:

• 1. Manuales

De percusión con aire comprimido, para huecos pequeños (25 a 50 mm de diámetro), para trabajo horizontal o al piso (pick hammer) o para huecos verticales al techo (stopers). Emplean barrenos de acero integrales terminados en una broca fija tipo bisel, o barrenos con broca acoplable.




Un equipo normal de perforación está compuesto por:

• a. Perforadora o martillo.

• b. Soporte y carro portador.

• c. Compresora y bombas hidráulicas.

• d. Brocas y barrenos.

• e. Accesorios (mangueras, aceitadoras, etc.).




2. Mecanizadas

De percusión y de rotopercusión, montadas en chasis

sobre ruedas u orugas. Para huecos hasta 150 mm (6”

de diámetro) y 20 m de profundidad. Ejemplo los

wagondrill, track drill y jumbos neumáticos o hidráulicos.

3. Mecanizadas rotatorias

Generalmente de grandes dimensiones para uso en tajos

abiertos, montadas sobre camión o sobre orugas con

traslación propia, con motor rotatorio independiente.

EN SÍNTESIS, LAS BROCAS SE CLASIFICAN EN TRES GRUPOS:

• - De corte.- Generalmente empleadas en perforación de producción con máquinas chicas, entre 1” y 4” de diámetro, (integrales, cruz, etc.) donde el inserto es el elemento que trabaja y se gasta.

• - Rotatorias.- También llamadas “tricónicas” por estar formadas por tres conos dentados acoplados a un cuerpo fijo o carcasa. Estos conos giran libremente alrededor del eje de la broca cuando ésta entra en movimiento triturando a la roca.

• - Diamantinas.- Empleadas en prospección geológica y en voladura con taladros largos (long holes), generalmente huecas para permitir la extracción de una varilla de la roca o mineral que va siendo perforado (testigo), tienen insertos muy finos de diamante embebidos en una masa o matriz fundida, dura, que conforme se gasta deja aparecer nuevos diamantes.







VOLADURA DE ROCAS

• De acuerdo a los criterios de la mecánica de rotura, la voladura es un proceso tridimensional, en el cual las presiones generadas por explosivos confinados dentro de taladros perforados en la roca, originan una zona de alta concentración de energía que produce dos efectos dinámicos:

• fragmentación y desplazamiento.

• El primero se refiere al tamaño de los fragmentos producidos, a su distribución y porcentajes por tamaños, mientras que el segundo se refiere al movimiento de la masa de roca triturada.

• Una adecuada fragmentación es importante para facilitar la remoción y transporte del material volado y está en relación directa con el uso al que se destinará este material, lo que calificará a la “mejor” fragmentación.

Sección del taladro:

Espaciadores inertesTaco inerte

Cordón detonante

Cebo

Partes de un taladro




EN OPEN PIT




CANTIDAD DE CARGA

• Depende de la tenacidad de la roca y de la dimensión del frente de voladura. Influyen: el número, diámetro y profundidad de los taladros y el tipo de explosivo e iniciadores a emplear.

• Se debe tener en cuenta que la cantidad de explosivo por metro cuadrado a volar disminuye cuanto más grande sea la sección del túnel, y también que aumenta cuanto más dura sea la roca.

• En términos generales puede considerarse los siguientes factores en kilogramo de explosivos por metro cúbico de roca.

• En minería los consumos de dinamita varían generalmente entre 300 a 800 g/m3.

• Como generalidad, pueden considerar los siguientes factores para:




CLASIFICACIÓN DE EXPLOSIVOS

Se dividen básicamente en explosivos de alto orden (p. ej. TNT) y explosivos de bajo orden (p. ej. pólvora).

Los explosivos de alto orden tienen una velocidad de combustión elevada, de varios km/s, alcanzando velocidades de detonación y por eso son aptos para la demolición.

Los explosivos de bajo orden queman a una velocidad de varios cientos de metros por segundo, llegando incluso a velocidades de un par de km/s, lo que se llama deflagración (los explosivos de bajo orden no detonan). Son utilizados para la propulsión y para los fuegos artificiales.

Se llama DDT (por su sigla en inglés, Deflagration-Detonation Transition) a los explosivos que tienen un velocidad de quemado intermedia entre los dos tipos de explosivos.

Explosivos de alto orden




Explosivos de alto orden

* trinitrotolueno o TNT* RDX o Ciclonita(trinitrofenilmetilnitramina)* PENT o Tetranitrato de pentaeritrita* Nitrato de amonio* ANFO* Amonal* Ácido pícrico o TNP (Trinitrofenol)* Picrato amónico* Tetranitrometano* HMX (Ciclotetrametilentetranitramina)* C-4







En donde podemos considerar:

• Rocas muy difíciles: granito, conglomerado,

arenisca.

• Rocas difíciles: arenisca sacaroide, arena

esquistosa.

• Rocas fáciles: esquisto, arcilla, esquistos

arcillosos, lutita.

• Rocas muy fáciles: arcilla esquistosa o rocas

muy suaves.

Valores estimados para galería con una sola cara

libre, para disparos con 2 caras libres se pueden

considerar valores de 0,4 a 0,6 kg/m3.

Ejemplo de cálculo para voladura de túnel

• Cálculo para excavación de un túnel de 1.400 m con 10,44 m2 de sección, recta con perfil convencional sin recorte periférico, en roca andesítica, a perforar con taladros de 1 1/4" (32 mm) y 2,40 m de longitud, corte cilíndrico con taladros paralelos.

• Explosivo, Semexsa 65 de 1 1/8" x 7", encendido con detonadores no eléctricos de retardo corto para el arranque y de medio segundo para el núcleo.

• Cálculo de carga

• Cantidad de explosivo

• 1. Volumen de material a mover por disparo

• V : S x p (área de la sección por profundidad de taladro)

• V = 10, 44 x 2,40 m = 25 m3 de roca por disparo.




2. Número de taladros por sección

• N°tal. : (R/C) + (K x S); Donde:

• R : circunferencia de la sección en metros

• S x 4 = 10,44 x 4 = 12,9

• C : distancia entre los taladros de circunferencia en metros – 0,5 para roca dura

– 0,6 para roca intermedia (andesita por ejemplo)

– 0,7 para roca blanda

• S : dimensión de la sección en m2 (10,44 m2)

• K : coeficiente:– 2 para roca dura

– 1,5 para roca intermedia

– 1 para roca blanda

• Luego N°tal. = 12,9/0,6 + 1,5 x 10,44 = 37,2 = 37 taladros

• máximo (cantidad que podrá ser disminuida si las condiciones del terreno lo permiten)




3. Cantidad de carga (factor)

• De acuerdo a las secciones del túnel y dureza de la roca, se obtiene el promedio en kg de explosivo utilizado por m3 de roca movida para cada metro de avance, teniéndose los siguientes casos para roca intermedia:

– (a) 1 a 5 m2 : 2,2 a 1,8 kg/m3

– (b) 5 a 10 m2 : 1,8 a 1,4 kg/m3

– (c) 10 a 20 m2 : 1,4 a 1,0 kg/m3

– (d) 20 a 40m2 : 1,0 a 0,8 kg/m3

• De acuerdo a los valores en (b) podemos considerar un promedio de 1,6 kg/m3 para la sección prevista, lo que da un consumo estimado por disparo de:

• 1,6 kg/m3 x 25 m3 = 40 kg/m3

• Siendo el factor de carga por taladro de:

• 40/37 = 1,08 kg/m3 por taladro.




• Según este factor el número promedio de cartuchos por taladros con Semexsa 65 en 1 1/8 x 7" y con 116 gramos de peso, será de: 1 080 / 116= 9,3 cartucho por taladro y: 9,3 x 37 taladros = 344 cartuchos por disparo teniendo la caja de

• Semexsa 65, 25 kg/m3, 215 cartuchos en promedio, el consumo de cajas por disparo será de: 344/215 = 1,6 cajas.

• Por tanto, el consumo total para el túnel de 1 400 m solamente con Semexsa será de:

– Longitud de taladro = 2,40 m

– Avance por disparo, considerando una eficiencia de 90% = 2,10m

– Número total de disparos: 1.400 / 42,10 m = 666

– Total de cajas a emplear: 1,60 x 666 = 1 065,5 =1 066 cajas




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