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INTRODUCCIN DE UN NUEVO SISTEMA DE APLICACIN DE EXPLOSIVOS PARA EL PROYECTO DEL TNEL CHEVES

Edgar Rozas lvarez Exsa S.A.

edgar.erozas87@gmail.com

1. RESUMEN

La construccin de tneles para centrales hidroelctricas vienen demandando soluciones operativas y logsticas para optimizar la velocidad de avance de las obras, simplificar la logstica del suministro y mejorar los niveles de seguridad.

Ante este requerimiento nuestra empresa desarroll un sistema para la aplicacin de un explosivo que permita agilizar las labores de desarrollo de los tneles.

El resultado final, el diseo de la Emulsin Bombeable para Aplicaciones Subterrneas y el Mdulo UBT (Unidad de Bombeo para Tneles) junto con un equipo tcnico especializado para asesorar al usuario en el uso del sistema y el carguo de los explosivos.

Entre las ventajas de este sistema estn: la reduccin de riesgos en el manipuleo del producto debido a que el explosivo se conforma una vez inyectado en los taladros y la mayor facilidad y velocidad de aplicacin en los frentes de trabajo con lo cual se incrementa el avance de la obra.

1. SUMMARY

The tunnel construction for hydroelectric power plants is demanding solutions to optimize the rate of progress of works, simplify the logistics of the explosives and improve safety levels.

Given this requirement our company developed a system for the application of an explosive able to satisfy these requierements.

The end result, the development of a bulk emulsion for underground blasting and the UBT Module (Underground Pumping Unit) with a specialized technical team to advise the customer in using the system and the handling and loading of the explosive.

The advantages of this system are: the reduction of risks in the handling of the product due to the explosive is formed once injected into the bore holes and the ease and speed of application in the work fronts thereby increasing progress of the work.

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2. DETALLES DEL SISTEMA

Es un sistema diseado para realizar el carguo de la emulsin gasificada en tneles y en trabajos de desarrollo horizontal en minera subterrnea; la tecnologa consiste en; la emulsin matriz, producto no explosivo y los aditivos que son fijados en el interior de los taladros mediante un sistema de bombas del Mdulo UBT las cuales son controladas por el PLC (Programador Lgico Programable), donde se llevar a cabo el proceso de gasificacin qumica que lo convertir en un producto explosivo.

La programacin es monitoreada y ajustada por el personal tcnico en obra en funcin de las condiciones del terreno y temperatura de la emulsin matriz

2.1 Caractersticas de la Emulsin Matriz y la Emulsin Gasificada

Las emulsiones son mezclas de dos fases lquidas del tipo agua en aceite, las que normalmente no se mezclan y necesitan de un emulsificante apropiado y un energtico mezclado para que las dos fases puedan unirse y estar juntas sin desligarse.

La fase continua, bsicamente constituida por una mezcla de hidrocarburos y la fase dispersa, que son micro gotas de una solucin acuosa de sales oxidantes (agua y nitrato de amonio, nitrato de sodio o nitrato de calcio disuelto).

2.1.1 Emulsin Matriz

Es una emulsin a granel del tipo agua en aceite, fabricada mediante un proceso, que le asegure mantener sus caractersticas tcnicas en las diversas etapas de bombeo a que va ser sometida. Sus caractersticas principales son:

Al ser un producto no explosivo se transporta, almacena y aplica sin mayor riesgo. Por ser un producto inerte de alta estabilidad se puede almacenar en silos a temperaturas entre -10 C y 40 C.

2.1.2 Aditivos de Gasificacin

Consiste de dos soluciones independientes:

L 9: Solucin acuosa de nitrito de sodio, es la que provee de las burbujas de N2, el porcentaje de dosificacin depende de la densidad final que se quiera obtener. Su densidad es de 1,06 g/cm3.

N 17: Solucin de cido actico al 50%, regula la velocidad de formacin de las burbujas de N2, el porcentaje de dosificacin depende de la temperatura de la matriz. Su densidad es 1,06 g/cm3.

De acuerdo a la temperatura que registre la matriz el operador del equipo UBT debe ingresar al PLC el porcentaje necesario del aditivo, de acuerdo a la tabla siguiente:

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2.1.3 Emulsin Gasificada

Producto obtenido mediante la gasificacin qumica de la emulsin matriz, con la que alcanza su condicin de agente de voladura para taladros de dimetro pequeo especialmente diseado para tneles, galeras de desarrollo horizontal y vertical en negativo en minera subterrnea y canteras.

Su elaboracin se inicia en el momento del carguo de la emulsin matriz al taladro, mezclndose uniformemente con los aditivos en el tiempo que dura su paso del mdulo hasta llegar hacer depositada en el taladro donde termina el proceso de gasificacin qumica, para dar lugar a la emulsin gasificada.

La gasificacin dura entre 15 a 20 minutos, tiempo en el cual consigue un esponjamiento promedio de un 15%, llenando todos los espacios disponibles del taladro.

La emulsin gasificada tiene una densidad que puede variar de 1,15 a 1,05 g/cm3, ajustable a las condiciones del terreno.

El dimetro crtico de la emulsin gasificada es de 22 mm, pero es recomendable usarlo en taladros de dimetro mayor a 51 mm.

Sus principales caractersticas son:

2.2 Mdulo UBT

Unidad de bombeo para tneles, consiste en un mdulo de carguo montado en un vehculo, que esta conformado por cinco grupos de sistemas, mecanismos y receptores interconectados que al ser programados cumplen con la dosificacin optima de la emulsin matriz y los aditivos al taladro.

2.2.1 Receptores

- Un tanque de emulsin matriz, con capacidad de 1.500 kg. - Dos tanques de aditivos, con capacidad cada uno de 60 litros. - Un tanque de agua (anillo lubricador y limpieza), con capacidad de 80 litros.

2.2.2 Sistema de bombas

- Bomba de producto de cavidad progresiva. - Bomba de pistn doble, inyeccin del anillo de agua, bajo consumo. - Dos bombas de dosificadoras de diafragma.

2.2.3 Gabinete de fuerza

Consta de: - Fuentes de poder. - Protectores diferenciales. - Luces piloto. - Pulsador de parada de emergencia. - Conector de alimentador de energa.

2.2.4 Gabinete de control

Consta de: - Panel de control tctil. - Controlador PLC. - Mdulos de seales y comunicacin del panel y la impresora. - Selectores y pulsadores.

2.2.5 Impresora

Impresin de los reportes de operacin y de fallas en la operacin.

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2.2.6 Sistema de sensores

- De presin (psi), bombeo de matriz, alarma. - De temperatura (C), matriz, alarma. - De velocidad de bombeo (rpm), bombeo de emulsin. - De flujo (ml/min.), dosificacin de aditivos

2.3 Funcionamiento del Sistema

Antes de operar el equipo se debe hacer una verificacin visual del estado en que se encuentra el equipo y el stock de la matriz, aditivos y del agua. Activado el equipo se verifica el encendido

del gabinete de fuerza, panel de control y bombas dosificadoras de los aditivos y el agua.

En la pantalla de operacin de bombeo se ingresa los datos del disparo y de perforacin (kg a cargar y tipo de taladro).

Iniciar el bombeo presionando el pulsador de encendido.

Una vez vaciada la cantidad de carga programada al taladro, automticamente para y la manguera debe posicionarse en el siguiente taladro para reiniciar el bombeo del producto.

Faltando pocos taladros para finalizar el carguo del frente, en el panel de control se selecciona la opcin del tipo de carga carga/limpieza.

El equipo con la ayuda del agua de limpieza se empuja el producto hasta dejar vaca la manguera.

2.4 Proceso de Gasificacin

El objetivo de la gasificacin es transformar la emulsin matriz en un producto explosivo, lo que se logra sensibilizando la matriz con burbujas de N2, producto de la reaccin del nitrito de sodio y el nitrato de amonio.

2.4.1 Mezcla de los aditivos con la matriz

El aditivo N-17 (. actico) se aade a la matriz, entre el paso del tanque de la matriz a la bomba de cavidad progresiva y el aditivo L-9 en la entrada de la bomba de cavidad progresiva.

2.4.2 Proceso de gasificacin

La mezcla intima de los productos se efecta en el homogenizador, donde se inician las reacciones qumicas para la produccin de burbujas de nitrgeno.

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Reacciones qumicas: se inicia las reacciones qumicas y la produccin de las burbujas de nitrgeno:

Catlisis: El cido actico sirve de catalizador de acuerdo a la mayor o menor porcentaje que se dosifique aumentar o disminuir la velocidad de reaccin:

Efecto pH:

Efecto de la temperatura: aumenta o disminuye la cintica del proceso de gasificacin, con el aumento de temperatura de la matriz y viceversa. En la tabla se muestra la velocidad de gasificado a una temperatura de 20C la densidad inicial de la matriz es de 1.37 g/cm3.

2.5 Mapa de Causas y Efectos

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3. APLICACIN EN EL PROYECTO HIDROELCTRICO CHEVES

Cheves es un proyecto de central hidroelctrica ubicado en las provincias de Huaura y Oyn, en el departamento de Lima, que utilizar las aguas de los ros Huaura y Checras con el fin de generar 168 MW de electricidad.

Los trabajos de construccin comenzaron en noviembre de 2010 y se espera que la operacin comercial inicie en el ao 2014. La central hidroelctrica Cheves demandar una inversin de $ 250 millones y generar 836 gigawatt-hora, energa que ser destinada al consumo domstico asegurando el suministro por 15 aos. La energa adicional generada se destinar a clientes industriales, como proyectos de minera, entre otros. (Ver Anexos 1 y 2).

Exsa recibi el encargo de desarrollar un sistema para la aplicacin del explosivo que permita agilizar las labores de desarrollo de los 17 km de tneles de seccin de 5m x 4m a fin de cumplir con el plazo requerido para completar la obra.

De esta manera, Exsa con el soporte de Enaex de Chile y AEL Mining Services de Sud frica, establecieron un equipo tcnico para implementar esta solucin por primera vez en el Per.

3.1 Caractersticas del Proyecto Hidroelctrico

3.2 Trabajos de Excavacin

Los trabajos de excavacin que se realizan son en la construccin de tneles, cavernas y embalses.

3.3 Trabajos de Voladura en la Excavacin de los Tneles

En los diferentes frentes de trabajo se utilizaron las emulsiones tanto encartuchada como gasificada, tomando en cuenta las caractersticas geolgicas del terreno, lo que nos dio la oportunidad de comparar los dos sistemas de voladura empleados.

Para este anlisis se realizaron 17 disparos usando emulsiones encartuchadas y 20 disparos con emulsin gasificada con densidad promedio de 1.15 g/cm3.

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3.3.1 Aplicacin de la emulsin gasificada en el Tnel de Acceso

3.3.1.1 Consideraciones para el diseo de la voladura

Macizo Rocoso: La clasificacin geomecanica del macizo rocoso en el tnel de Acceso segn la calificacin RMR valorado en el campo es como se ve en la tabla siguiente.

Burden: Considerando la calidad de la roca segn un RMR que vara de 40 a 70 el burden para los dos tipos de explosivos utilizados es de 0.30 cm.

3.3.1.2 Voladura con emulsin encartuchada

Parmetros de Perforacin: La seccin del frente 6 x 7.3 m. Longitud de taladro 3.80 m. Dimetro de taladros de produccin 51

mm.

Dimetro de los taladros de alivio 102 mm.

Tiempo de perforacin de 76 taladros produccin: 76 x 3 min. 20 seg. = 4 horas y 15 minutos en promedio.

Tiempo de perforacin de 4 taladros de alivio: 4 x 6 min. 30 seg. = 26 minutos en promedio.

Tiempo total de perforacin real incluyendo el posicionamiento de la perforadora y conexiones del sistema elctrico es de 4 horas 40 minutos en promedio.

Carguo de Emulsiones Encartuchadas:

El carguo estndar promedio determinado, con las emulsiones encartuchadas, es en base a 17 disparos realizados.

En los contornos se usa la voladura de recorte (corona y hastiales) se carga con emulsin encartuchada de alta potencia como cebo y el resto de la columna es cargada con emulsin convencional.

Se usa cordn detonante de 80 g.

3.3.1.3 Voladura con emulsin gasificada

Parmetros de Perforacin: La seccin del frente 6x7.3 m. Longitud de taladro 3.80 m.

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Dimetro de taladro de produccin 51 mm. Dimetro de taladros de alivio 102 mm. El tiempo de perforacin de 68 taladros 68

x 3min. 20seg = 3horas 47 minutos en promedio.

El tiempo de perforacin de 4 taladros de alivio 4 x 6min. 30seg = 26 minutos.

Tiempo total de perforacin real incluyendo el posicionamiento de la perforadora y conexiones del sistema elctrico es de 4 horas 13 minutos en promedio.

Control de calidad de la emulsin gasificada

El control de calidad de la emulsin gasificada se hace in situ en el momento del carguo basado en el control de la densidad del producto; como norma establecida la muestra para el control es tomada despus de haber cargado el cuarto taladro. Tambin se mide la velocidad de detonacin del producto.

Equipos y materiales para el control

Una probeta de densidades de 1000 cm3. Balanza Analtica 5 kg. Termmetro. Una esptula o paleta para el enrase. Cronmetro. Microtrap MREL.

Registro y Resultados de la toma de densidad

Con una Matriz a una temperatura de 20C.

El grafico nos indica que la gasificacin est dentro del rango permitido para este tipo de emulsiones. Teniendo como punto de control los 15 minutos de gasificacin con una densidad promedio de 1.15 g/cm3.

Registro de la velocidad de Detonacin, in situ con el Microtrap MREL; obtenindose rangos entre 4.900 a 5.000 m/s en promedio. Lo cual indica su alto aprovechamiento de transferencia de energa hacia la roca a volar.

Carguo del Frente con emulsin gasificada

El carguo estndar promedio determinado, con la emulsin gasificada, es en base a 20 disparos realizados.

En los contornos se usa la voladura de recorte (corona y hastiales) se carga con emulsin de alta potencia como cebo activado con un detonador No Elctrico N12 y el resto de la columna es cargada mediante el cordn detonante de 80 g.

Los dems taladros de produccin se primaron con emulsiones encartuchadas al igual que la corona y los cuadradores.

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3.3.1.4 Tiempo de Carguo con Emulsiones Encartuchadas y Gasificadas

La dosificacin exacta de la carga por taladro y el pare automtico, favorece en la rapidez del carguo de la emulsin gasificada. La estadstica de los tiempos de carguo (ver Anexo 9).

3.3.2 Costos de carguo y de tiempos de perforacin, comparativos

3.3.2.1 Costos de perforacin emulsiones encartuchadas vs gasificada

Segn los resultados estadisticos de los tiempos y costos de perforacin comparativos de ambos sistemas, se demuestra un menor costo de perforacion con la emulsin gasificada de 9% en promedio, debido a la menor cantidad de taladros que se perforan respecto a las emulsiones encartuchadas.

3.3.2.2 Tiempo de perforacion Encartuchadas vs Gasificada

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Resumen de Parmetros de Voladura

4. CONCLUSIONES

El uso del sistema UBT complementado con la emulsin bombeable gasificada en el taladro, es una alternativa para aplicacin en los trabajos de voladura de tneles en obras civiles por las ventajas que se ha mostrado en este estudio comparativo realizado en el proyecto Cheves y a corto plazo amerita evaluar soluciones alternativas para la minera subterrnea.

4.1 Ventajas Mayor rapidez de carguo. No se genera prdidas del producto, por

su dosificacin exacta de la carga al taladro, controlada por el PLC. Kilos solicitados = kilos entregados.

Menor cantidad de mano de obra en el frente para el carguo. Cumple con los avances lineales planificados en un 95%.

Fragmentacin homognea (ver Anexo 9), debido al buen acoplamiento de la emulsin en el taladro, por su esponjamiento en el proceso de gasificacin.

Mejor rendimiento de los equipos de limpieza y transporte.

Menor dao a la roca circundante, por el hecho de variar la densidad de acuerdo a la calidad del terreno

Mejor control de los costos globales. Alta resistencia al agua Antes de su gasificacin se transporta,

almacena y se transfiere una emulsin inerte sin riesgo a explosin

Su almacenamiento no necesita de un almacn tipo polvorn de explosivos.

4.2 Desventajas Calibracin peridica de los porcentajes

de adicin de los aditivos. Vida til de tres meses de la emulsin. La temperatura de gasificacin que tiene

un rango limitado de 40 a menos 10 C. No se recomienda su uso en terrenos muy

fracturados.

REFERENCIAS

1.- ABAD, M. (1981): Puesta a punto de un equipo de Registro y Anlisis de Voladuras, Resultados Obtenidos en Rocas Igneas. Simposium sobre el Uso Industrial del Subsuelo.

2.- CALVIN J. Konya.: Manual de Voladura

3.- EXSA S.A - Centro Tecnolgico de Voladura de CTVE - Apuntes (2007)

4.- EXSA S.A. - Manual Prctico de Voladura 4 Edicin.

5.- ENAEX S.A. - Manual de Tronadura. 6.- NORCONSULT: Estudio De Factibilidad

Actualizacin de Informe de Geologa y Geotecnia HIDROELECTRICA CHEVES (Febrero - 2008)

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ANEXOS

ANEXO 1 Plano de Ubicacin

ANEXO 2 Plano de Ubicacin de Obras en el Proyecto

ANEXO 3 Vista del Mdulo UBT

ANEXO 4 Aditivos responsables de la gasificacin

ANEXO 5 Detonacin en Tnel Checras

ANEXO 6 Cordn detonante de 80g para Voladura

Controlada

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ANEXO 7

ANEXO 8

Seccion:6x7.3Tiempo Prom Perforacion

Taladro:3.33 6.643

Costo Tal. Alivio 102mm

($/m)7.36 Perf:

SANDVIK DT720-C RMR 50 - 65

N Disparo N Tal. Produc.Tiempo

Perforacion N Tal. Alivio

Tiempo Perforacion

Long. Perf.

Costo de Perforacion

N Disparo

N Tal. Produccion

Tiempo Perforacion

N Tal. Alivio

Tiempo Perforacion

Long. Perf.

Costo de Perforacion

50 79 263.07 4 13.32 3.8 2106.10 67 84 279.72 4 13.32 3.8 2232.32

51 78 259.74 4 13.32 3.8 2080.86 68 80 266.4 4 13.32 3.6 2019.17

52 82 273.06 4 13.32 3.6 2067.00 69 76 253.08 4 13.32 3.6 1923.51

53 78 259.74 4 13.32 3.7 2026.10 70 78 259.74 4 13.32 3.8 2080.86

54 81 269.73 4 13.32 3.8 2156.59 71 70 233.1 4 13.32 3.7 1829.47

55 80 266.4 4 13.32 3.5 1963.08 72 74 246.42 4 13.32 3.7 1927.78

56 81 269.73 4 13.32 3.7 2099.84 73 69 229.77 4 13.32 3.8 1853.67

57 77 256.41 4 13.32 3.8 2055.61 74 68 226.44 4 13.32 3.7 1780.31

58 85 283.05 4 13.32 3.85 2287.27 75 70 233.1 4 13.32 3.8 1878.91

59 83 276.39 4 13.32 3.8 2207.07 76 73 243.09 4 13.32 3.9 2006.08

60 76 253.08 4 13.32 3.6 1923.51 77 65 216.45 4 13.32 3.8 1752.69

61 79 263.07 4 13.32 3.7 2050.68 78 77 256.41 4 13.32 3.8 2055.61

62 83 276.39 4 13.32 3.8 2207.07 79 71 236.43 4 13.32 3.8 1904.15

63 84 279.72 4 13.32 3.8 2232.32 80 68 226.44 4 13.32 3.8 1828.42

64 81 269.73 4 13.32 3.8 2156.59 81 67 223.11 4 13.32 3.8 1803.18

65 75 249.75 4 13.32 3.8 2005.13 82 70 233.1 4 13.32 3.8 1878.91

66 78 259.74 4 13.32 3.8 2080.86 83 70 233.1 4 13.32 3.7 1829.47

84 66 219.78 4 13.32 3.7 1731.15

85 69 229.77 4 13.32 3.8 1853.67

86 74 246.42 4 13.32 3.8 1979.88

Promedio 80 266.4 4 13.32 3.74 2100.33 71.95 239.59 4 13.32 3.76 1907.469.1810.06REDUCCION DE TIEMPO DE PERFORACION (%)

PERFORACION CON EMULSION ENCARTUCHADA Vs EMULSION GASIFICABLE

Costo Tal. Produccion 51mm ($/m)

EMULSION ENCARTUCHADA EMULSION GASIFICADA

REDUCCION DE COSTOS EN PERFORACION (%)

Tipo de Roca Ambos Agentes:

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ANEXO 9 Vista de la Fragmentacion con Emulsion Gasificable

ANEXO 10 Vista del Polvorn Principal del Proyecto Cheves