Fragmentacion de La Rxl

8/3/2019 Fragmentacion de La Rxl

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Pontificia Universidad Catlica de ChileEscuela de Ingeniera-Centro de Minera

Ronald Guzmn V.Ing. Civil de Minas

CLASE N2MECANISMOS DE FRAGMENTACIN DE LA ROCA

FUENTES DE ENERGA EN LOS EXPLOSIVOS

Cuando los explosivos reaccionan qumicamente, se liberan dos tiposprincipales de energa. El primero se llama energa de choque y elsegundo, energa de gas. Ambos tipos de energa se liberan durante elproceso de detonacin.

El responsable de las tronaduras puede seleccionar explosivos con

diferentes proporciones de energa de choque o de gas paraadaptarlas a un caso en particular. Si los explosivos se usan sinconfinar (tronadura secundaria), o en el corte de elementosestructurales para demolicin, la seleccin de un explosivo con granenerga de choque es muy provechosa. Si los explosivos se usan demanera confinada dentro de un pozo de perforacin, la seleccin deun explosivo que aporte una gran energa de gas es el indicado.

Para ayudarnos a imaginar la diferencia entre las dos energas,compararemos la reaccin del alto y bajo explosivo. Los bajos

explosivos son aquellos que se deflagran o queman rpidamente.Estos explosivos pueden tener velocidades de reaccin de 600 a 1500m/s y no producen energa de choque. La figura 1.1 muestra eldiagrama de un cartucho de bajo explosivo reaccionando. Suponiendoque la reaccin se detuviera cuando el cartucho ha sido parcialmenteconsumido y se obtiene un perfil de la presin, se observa unaelevacin constante de la presin en el punto de reaccin, hasta quealcanza el mximo de presin. Los bajos explosivos slo producenenerga de gas durante el proceso de combustin. Al detonar un alto

explosivo produce un perfil totalmente diferente.


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FRENTE DE REACCIN

BAJO EXPLOSIVO ALTO EXPLOSIVO

FFiigguurraa 11..11

Durante la detonacin de un alto explosivo, la presin de choque viajaal frente de la reaccin, a travs del explosivo antes de que la energade gas sea liberada. Esta energa de choque generalmente tiene unapresin mayor a la energa de gas. Una vez que la energa de choquepasa, la energa de gas se libera. Proporcionalmente la energa de gasde un explosivo detonante (alto explosivo) es mucho mayor que laenerga de gas liberada por un bajo explosivo. En la grfica de un altoexplosivo, se observan dos presiones distintas y separadas. Lapresin de choque es una presin transitoria que viaja a la velocidad

de detonacin del explosivo. Se estima que esta presin slorepresenta del 10% al 15% de toda la energa de trabajo disponible deun explosivo. La presin de gas equivale del 85% al 90% de la energatil del explosivo que contina y sigue a la energa de choque. Estapresin produce una fuerza que se mantiene constante hasta que lasparedes del pozo de perforacin se fisuran.

Energa deChoque

Energa deGas

Energa de Gas


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ENERGA DE CHOQUE

Existen dos presiones distintas y separadas, resultado de la reaccinde un alto explosivo y slo una en caso de un bajo explosivo. Lapresin de choque es una presin transitoria que viaja a travs delexplosivo a la velocidad de reaccin y es seguida de la presin de gas.

Se cree comnmente que la energa de choque resulta de la presinde detonacin de la explosin. La presin de detonacin est enfuncin directa de la densidad del explosivo y la velocidad dedetonacin. Se calcula multiplicando la densidad del explosivo y lavelocidad de detonacin al cuadrado y es una forma de energacintica. Hasta el momento existen varias frmulas para calcular lapresin de detonacin. Como ejemplo citaremos la siguiente expresin

(Konya 1990):

P = 4.5 x 10-6 x Ve2 x d1 + 0.8 x d

Donde: P = Presin de detonacin (kbar)d = Densidad del explosivo (gr/cc)

Ve = Velocidad de detonacin -VOD- (m/s)

La presin de detonacin o energa de choque puede ser consideradauna forma de energa cintica y su valor mximo se da en la direccinde propagacin, esto significa que la presin de detonacin sermxima en el extremo opuesto del cartucho al cual se inici lareaccin. Es una creencia general que la presin de detonacin a loslados del cartucho es prcticamente cero, ya que la onda de presinno se extiende a los lados del cartucho. Para obtener los efectosmximos de la presin de detonacin de un explosivo, es necesario

colocar los explosivos sobre el material que se va a tronar e iniciar lareaccin del lado opuesto al que est en contacto con el material. Elcolocar el cartucho de lado y dispararlo de manera que la detonacinsea paralela a la superficie de material, reduce los efectos de lapresin de detonacin; de esta forma el material est sujeto a lapresin causada por la expansin radial de los gases, una vez que laonda de detonacin ha pasado.


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ENERGA DE GAS

La energa de gas liberada durante el proceso de detonacin es lacausa de la mayor parte de la fragmentacin de la roca durante unatronadura con cargas confinadas en barrenos. La presin de gas,frecuentemente llamada presin de explosin, es la presin que losgases en expansin oponen contra las paredes del barreno despusque la reaccin qumica ha terminado. La presin de explosin resultade la cantidad de gases liberados por unidad de peso del explosivo yde la cantidad de calor liberada durante la reaccin. Entre ms altasea la temperatura producida, mayor ser la presin del gas. Si selibera mayor cantidad de gas a la misma temperatura, la presintambin se incrementar. Para obtener un valor rpidamente, se

supone que la presin de gas es aproximadamente la mitad de lapresin de detonacin.

Debe sealarse que esto es slo una aproximacin y que puedenexistir condiciones donde la presin de explosin sobrepase a lapresin de detonacin. Esto explica el xito del ANFO, el cual tieneuna presin de detonacin relativamente baja y una presin deexplosin relativamente alta. Las presiones de explosin soncalculadas con modelos computacionales o pruebas de laboratorio.Una revisin de la qumica bsica de los explosivos (Clase 1) nosayudar a comprender como los metales pulverizados y otrassubstancias afectan a la presin de explosin.


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TEORIA DE FRAGMENTACIN DE ROCAS

Muchas teoras han sido propuestas para mostrar como la roca sefragmenta resultado de una explosin. En general se pueden distinguirdos tipos de energa durante el proceso de fragmentacin. Primeroocurre una energa de choque (ondas de esfuerzo) que se muevenpor la roca a una velocidad cercana a la velocidad de ondacompresional (Vp). Despus que este frente de esfuerzo ha pasado, lapresin de gas (energa de gas) realiza el proceso de fragmentacinde la roca. Las diferentes teoras le dan diferentes importancias a laenerga de choque y/o gas en la fragmentacin de rocas de acuerdo asus experiencias particulares y pruebas realizadas.

Para efectos del curso mencionaremos una teora (bastante aceptada)

para describir el proceso de fragmentacin de la roca. En general, laimportancia de la energa de choque o la energa de gas depender demuchos factores (algunos controlables), como por ejemplo: tipo deexplosivo, grado de confinamiento, parmetros de la roca, etc.

Para poder tener claro que variables pueden incidir en mayor o menorgrado, debemos tener claro que para todo trabajo de tronadura,existen variables controlables y variables no controlables, las cualesse detallan a continuacin:

Variables controlables

Dimetro de perforacin Altura de perforacinPasadura Inclinacin de la perforacin

Altura del taco Material del tacoBurden EspaciamientoTamao de la tronadura Direccin de la tronaduraSistema de iniciacin Nmero de caras libresTipo de explosivo Mtodo de carguo

Otros.


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Variables No controlables

Geologa Propiedades geomecnicasFrecuencia de fracturas Orientacin de estructurasCondiciones de Agua Otros.

Por lo tanto (lo siguiente es vlido para todo el curso), solamente sepueden variar las variables controlables de acuerdo a las variables nocontrolables y los resultados de tronadura (fragmentacin, dao,dilucin y desplazamiento) requeridos. Un mal resultado en latronadura es debido principalmente a una consideracin errnea delas variables no controlables.

CARGAS NO CONFINADAS

Las cargas sin confinar colocadas sobre bolones y que se detonanposteriormente producen energa de choque que se transmite en elpunto de contacto entre la roca y la carga. Ya que la mayor parte de lacarga no est en contacto con la roca, la mayora de la energa til delexplosivo se dispersa al aire y se desperdicia. Este desperdicio deenerga se manifiesta como un golpe de aire excesivo. La presin degas no se puede formar ya que la carga est totalmente sin confinar,por lo tanto, la energa de gas hace poco (o nada) de trabajo. Slo unapequea cantidad de la energa til del explosivo se aprovecha cuandose colocan de esta manera sobre la roca.

Si comparamos dos ejemplos, uno donde la carga se coloca dentro deun pozo y posteriormente se tapa, y otro donde se coloca la carga sinconfinar sobre la roca, encontraremos que se requiere muchas vecesla cantidad de explosivo sobre la roca para obtener la mismafragmentacin que con la carga confinada dentro del pozo.

Hace muchos aos se descubri que una capa de lodo colocada sobre

la roca y con cartuchos de explosivo contenidos dentro de sta,provoca que la carga de explosivo ejerza una fuerza mayor hacia laroca, lo cual no sucede si no se utiliza la capa de lodo. Se podraconcluir que el confinamiento de los gases causado por unos puadosde lodo ayud en el proceso de fragmentacin. El sentido comn nosindicar que esto no es lgico ya que esa cantidad de lodo no puederesistir significativamente presiones que se aproximan a los miles de


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bares. Lo que puede suceder es que el lodo forme una especie detrampa de ondas, donde algo de la energa de choque desperdiciada,que en condiciones normales se disipara en el aire, es reflejada haciala roca.

CARGAS CONFINADAS

Para el caso de cargas confinadas dentro de pozos de perforacin,podemos distinguir bsicamente 4 eventos, en los cuales lafragmentacin y desplazamiento del material ocurren durante ydespus de completada la detonacin.

1. DETONACIN: La detonacin es el comienzo del proceso de

fragmentacin. Los ingredientes de un explosivo (oxidantes ycombustibles) bajo una detonacin son convertidos en gases a altapresin y alta temperatura. En el frente de detonacin puedenexistir presiones del orden de 9 kbar a 275 kbar y temperaturasentre 3000 F a 7000 F. La presin de detonacin se puedeexpresar en funcin de la densidad del explosivo y la velocidad dedetonacin (Konya 1990) segn la frmula presentada en laprimera parte.

2. PROPAGACIN DE ONDAS DE CHOQUE: La segunda etapa,seguida a la detonacin o en conjunto con la detonacin,corresponde a la propagacin de ondas de choque a travs delmacizo rocoso. La geometra o forma de estas ondas depende demuchos factores. Pero en general una regla bastante aceptada estareferida a la razn entre el largo de la columna explosiva y eldimetro de perforacin.

Si largo columna explosiva/dimetro < 6 propagacin conforma esfrica

Si largo columna explosiva/dimetro > 6 propagacin conforma cilndrica


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Adems, existe una pulverizacin alrededor del pozo que puede

alcanzar rangos de 1 a 3 veces el dimetro, dependiendo de la roca yel explosivo utilizado y tambin la creacin de fracturas alrededor delpozo dependiendo de las caractersticas de la roca y el nivel devibraciones inducido.

Es importante destacar que las ondas cuando viajan y atraviesandiscontinuidades, parte de la onda se refleja y otra parte se refractahasta alcanzar la cara libre (onda de choque reflejada).

3. EXPANSIN DE GASES: Durante y/o despus de que la onda dechoque ha pasado, la expansin de gases abre las fracturaspreexistentes con una direccin predominante hacia la cara libre.La onda de choque reflejada (onda de traccin) empieza afragmentar la roca, que en conjunto con la accin de los gasescomienzan a proyectar la roca fragmentada.


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4. MOVIMIENTO DEL M ATERIAL: El movimiento del material es laltima etapa dentro del proceso de fragmentacin de la roca. Lamayor parte de la fragmentacin ha sido realizada por las ondas dechoque (compresin y tensin) y la accin de los gases. Pero, partede la fragmentacin ocurre por colisiones de los fragmentos queempiezan a moverse. Generalmente, una razn de rigidez sobre 3favorece esta accin en trminos de incrementar la velocidad de losfragmentos; otro factor que ayuda es el tipo de salida, siendofavorable para este punto las salidas en V.

Concepto importante

Se define como razn de rigidez a la razn entre la altura del banco y

el burden, considerada como una viga empotrada. Los resultados de latronadura se pueden relacionar al ndice de rigidez de acuerdo a lasiguiente tabla:

Razn de rigidez Fragmentacin Airblasts Flyrock Vibraciones

1 Mala Severo Severo Severo2 Regular Regular Regular Regular3 Buena Buena Buena Buena

4 Excelente Excelente Excelente Excelente


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