GEOMECNICA Y VOLADURAMECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCADCR Ingenieros S.R.Ltda.Ing. David Crdova Rojas Lima, Julio del 2004

MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCALa detonacin de una carga explosiva est caracterizada por dos fases:

1 Fase: Se produce un fuerte impacto debido a la onda de choque, vinculada a la Energa de Tensin (ET), durante un corto periodo e tiempo.

2 Fase: Actan los gases producidos detrs de la zona de reaccin que a alta presin y temperatura son portadores de la Energa Termodinmica o de Burbuja (EB).

En la fragmentacin de materiales rocosos con explosivos intervienen al menos ocho mecanismos de rotura y son:

Trituracin de la roca Agrietamiento radial Reflexin de la onda de choque Extensin y apertura de las grietas radiales Fracturacin por liberacin de carga Fracturacin por cizallamiento Rotura por flexin Rotura por colisin

1. TRITURACION DE LA ROCA

En los primeros instantes de la detonacin, la presin en el frente de la onda de choque, alcanza valores que superan ampliamente la resistencia dinmica de la roca, provocando la destruccin de su estructura interna.

El tamao del anillo de roca triturada aumenta con la presin de detonacin del explosivo y con el acoplamiento de la carga a las paredes del taladro; en explosivos de alta potencia y en rocas porosas puede llegar a tener un radio de hasta 8 D, pero lo normal es que oscile entre 2 y 4 D.

Segn Hagan (1977), este mecanismo de rotura consume casi el 30% de la energa que transporta la onda de choque, colaborando en la fragmentacin de la roca con 0.1% del volumen total que corresponde al arranque normal de un taladro.

2. AGRIETAMIENTO RADIAL

Durante la propagacin de la onda de choque, la roca circundante al taladro es sometida a una intensa compresin radial. Cuando las tensiones superan la resistencia dinmica a traccin de la roca, se inicia la formacin de una densa zona de grietas radiales alrededor de la zona triturada que rodea al taladro.Figura 1: Agrietamiento radial.

Figura 2: Agrietamiento radial y rotura por reflexin de la onda de choque.3. REFLEXION DE LA ONDA DE CHOQUE

Cuando la onda de choque alcanza una superficie libre se generan dos ondas, una de traccin y otra de cizallamiento. El fracturamiento es causado generalmente por la onda de traccin reflejada. Si las tensiones de traccin superan la resistencia dinmica de la roca, se producir el fenmeno conocido por descostramiento o spalling. En la rocas, las resistencias de traccin alcanzan valores entre 5 y 15% de la resistencia de compresin.

El frente de onda reflejada es ms convexo que el de la onda incidente, por lo que el ndice de dispersin de la energa de la onda de traccin es mucho mayor cuando la superficie es cilndrica, como el taladro central de un arranque en comparacin con un plano como sucede en una voladura.Figura 3: Reflexin de una onda sobre una cavidad cilndrica.

4. EXTENSION Y APERTURA DE LAS GRIETAS RADIALES

Despus del paso de la onda de choque, la presin de los gases provoca un campo de tensiones cuasiestticas alrededor del taladro. Durante o despus de la formacin de las grietas radiales, los gases comienzan a expandirse y penetrar en las fracturas, provocando la extensin de las grietas radiales debido a la concentracin de tensiones en los extremos de las mismas.

5. FRACTURACION POR LIBERACION DE CARGA

Antes de que la onda de choque alcance el frente libre efectivo, la energa total transferida a la roca vara entre el 60 y 70% de la energa de la voladura (Cook et al 1966). Despus del paso de la onda de compresin se produce un estado de equilibrio cuasiesttico, seguido de una cada sbita de presin en el taladro, por el escape de los gases a travs del taco, de las fracturas radiales y desplazamiento de la roca. La Energa de Tensin almacenada se libera muy rpidamente, generndose traccin y cizallamiento que provoca la rotura de la masa rocosa.

6. FRACTURACION POR CIZALLAMIENTO

En formaciones rocosas sedimentarias cuando los estratos presentan distintos mdulos de elasticidad o parmetros geomecnicos, se produce la rotura en los planos de separacin al paso de la onda de choque por las tensiones diferenciales o cortantes en dicho puntos.Figura 4: Fracturacin por cizallamiento.

7. ROTURA POR FLEXION

Durante y despus de los mecanismos de agrietamiento radial y descostramiento, la presin ejercida por los gases de explosin sobre el material situado frente a la columna de explosivo hace que la roca acte como una viga doblemente empotrada en el fondo del taladro y en la zona del taco, producindose la deformacin y el agrietamiento de la misma por los fenmenos de flexin.Figura 5: Mecanismo de rotura por flexin.

8. ROTURA POR COLISION

Los fragmentos de roca creados por los mecanismos anteriores y acelerados por los gases son proyectados hacia la superficie libre, colisionando entre s y dando lugar a una fragmentacin adicional.La Presin de Detonacin es expresada por:

Donde:PD = Presin de detonacin (KPa)e = Densidad del explosivo (g/cm3)VD = Velocidad de detonacin (m/s)TRANSMISION DE LA ONDA DE CHOQUE EN UN MEDIO ROCOSO

Cuando se planifica una excavacin se debe tomar en cuenta dos consideraciones importantes:

Determinar la cantidad de energa necesaria para obtener la separacin, la rotura y la proyeccin de la roca a ser volada.

Definir la distribucin del explosivo en la roca para hacer eficiente el trabajo de la energa generada.En otras palabras, hay que definir que cantidad de explosivo de conocidas caractersticas es necesario contar para volar una cierta cantidad de roca y determinar como ser distribuido.

Dinmica de detonacin

Es necesario conocer la dinmica de detonacin a fin de determinar los parmetros que influirn en los resultados.La caracterstica principal de cualquier detonacin es que la gran cantidad de energa en forma de ondas de choque y gas a altsimas presiones, es desarrollada en un periodo muy corto.Para romper la roca como consecuencia de la reflexin de la onda de choque, la superficie libre debe tener una distancia B (Burden) desde la carga.

Transferencia de energa a la roca

Primero es necesario estimar que cantidad de energa se debe transferir a la roca. La transferencia de energa es funcin del explosivo que proporciona y las caractersticas de la roca que recepciona. La transferencia est en funcin de la impedancia acstica de los dos. La impedancia del explosivo Ic se define como el producto de su densidad (c) y la VD. La impedancia de la roca Ir, es definida por el producto de su densidad (r) y la velocidad de propagacin del sonido (C).

Ic = c . VD

Ir = r . C

La energa transferida es influenciada por un factor n1 (factor de impedancia) representada por la ecuacin:

La transferencia de energa tambin es afectada por el factor de acoplamiento que est en funcin de los dimetros del taladro (f) y de la carga (c), expresado por la relacin:

Siendo e = 2.7172En resumen la energa transferida a la roca es solo una parte de la energa E, la cual es expresada por: E* = n1.n2.E

La mxima Presin Transmitida a la roca equivale a:

Donde nz es la relacin entre la impedancia del explosivo y la de la roca:

Siendo:VC = Velocidad de propagacin de las ondas en el medio rocoso (m/s).r = Densidad de la roca (g/cm3)

Si la onda en su camino encuentra materiales diferentes, con impedancias y superficies de separacin diferentes, la transmisin de la onda de choque estar gobernada por la relacin de impedancias de los distintos tipos de roca.

Cuando las impedancias de los medios son iguales, gran parte de la energa se transmitir y el resto se reflejar.

Si la relacin de impedancias caractersticas de los dos medios es:Se tendr:

Donde:PI = Presin de la onda incidentePT = Presin de la onda transmitidaPR = Presin de la onda reflejada.

La accin de los explosivos sobre las rocas es la resultante de un conjunto de acciones simultneas asociadas a los efectos de la onda de choque que transporta la ET y a los efecto de los gases de explosin o EB.Rendimiento energtico de las voladurasFigura 6: Resumen de mecanismos de rotura.

Estimaciones realizadas por Hagan (1977) han determinado que el 15% de la energa total generada en la voladura es aprovechada en los mecanismos de fragmentacin y desplazamiento de la roca.

Segn Rascheff y Goemans (1977) han establecido que la energa aprovechada vara entre el 5 y 50% de la energa total, dependiendo de los tipos de roca y la clase de explosivo utilizado.

Segn esto, en rocas duras, la ET de un explosivo es ms importante en la fragmentacin que la EB, sucediendo lo contrario en las rocas blandas.Tabla 1: Reparto de la energa de choque.

DCR Ingenieros S.R.Ltda.