PERFORACIN Y VOLADURA I

Calidad que se acredita internacionalmente

ASIGNATURA

PRIMERA UNIDAD

TEMA N 3 PROPIEDADES DE LAS ROCAS QUE AFECTAN LA PERFORACIN.

DOCENTE: Ing. Benjamn Manuel Ramos Aranda

Huancayo, 2015

Asignatura: Perforacin y Voladura I

MATERIAL DE ESTUDIO:

TEMA N 3 PROPIEDADES DE LAS ROCAS QUE AFECTAN LA

PERFORACIN.

PROPIEDADES DE LAS ROCAS Y LOS MACIZOS ROCOSOS Y SU INFLUENCIA EN LOS RESULTADOS DE LA VOLADURA.

Compilado y adaptado de:

LPEZ JIMENO, Carlos; LPEZ JIMENO, Emilio; GARCA BERMDEZ, Pilar. Madrid: Ed. Entorno Grfico Manual de Perforacin y Voladura de Rocas.

Madrid, 2003. UBICACIN: Biblioteca UCCI: 622.23/L87

Material preparado con fines de estudio de alumnos del curso de Perforacin y Voladura de

la Universidad Continental

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Captulo 17I

PROPIEDADES DE LAS ROCAS Y DE LOS MACIZOSROCOSOS Y SU INFLUENCIA EN LOS RESULTADOS DE

LAS VOLADURAS

1. INTRODUCCION

LosmaterialesqueconstituyenlosmacizosrocososI poseenciertascaractersticasfsicasquesonfuncin

desuorigenydelosprocesosgeolgicosposterioresquesobreellos han actuado.El conjuntode estos

I fenmenosconduceen un determinadoentorno,auna litologaparticularcon unasheterogeneidadesdebidasa losagregadosmineralespolicristalinosy alas discontinuidadesde la matrizrocosa(porosy

I fisuras);y a unaestructurageolgicaen un estadotensionalcaracterstico,conungrannmerodedis-continuidadesestructurales(planosde estratifica-

I cin, fracturas,diaclasas,juntas, etc.).

2. PROPIEDADES DE LAS ROCAS

2.1. Densidad

Lasdensidadesy resistenciasde lasrocaspresen-tannormalmenteunabuenacorrelacin.En general,las rocasde bajadensidadse deformany rompenconfacilidad,requiriendounfactordeenergarelati-vamentebajomientrasquelasrocasdensasprecisanunamayorcantidaddeenergaparalograrunafrag-mentacinsatisfactoria,as comoun buendespla-zamientoy esponjamiento.

Enrocasconaltadensidadparaqueel impulsoim-partidoa la roca por la accinde los gasesseaeladecuado,deberntomarselassiguientesmedidas:

- Aumentarel dimetrode perforacin para elevaras la presin de barreno, PB = kxVD2, donde"VD es la velocidadde detonacindel explosivo.

- Reducir el esquemay modificar la secuencia deencendido.

- Mejorar la efectividaddel retacado con el fin deaumentarel tiempo de actuacin de los gases yhacer que stos escapen por el frente libre y nopor el retacado.

Utilizar explosivos con una alta Energa de Bur-buja "EB" .

2.2. Resistenciasdinmicasde las rocas

Las resistenciasestticasa compresinya traccinseutilizaronenun principiocomoparmetrosindicati-vosde la aptitudde la rocaa lavoladura.As,se definiellndice de Volabilidad (Hino, 1959)como la relacin"RC/RT" de modo que a un mayor valor resultarams fcil fragmentarel material.

El tratamiento racional de los problemas realesobligaa considerarlas resistenciasdinmicas,yaquestasaumentanconelndicedecarga(Rinehart,1958;Persson et al, 1970) pudiendollegaraalcanzarvaloresentre 5 y 13 vecessuperioresa las estticas.

Cuandola intensidadde laondadechoquesuperaala resistenciadinmicaa la compresin"RC'" se pro-duceunatrituracinde la rocacircundantea laspare-desdel barrenopor colapsode la estructuraintercris-talina.Pero esta trituracincontribuyemuypoco a lofragmentaciny provocaunafuertedisminucinde laenergade tensin.

Por ello, se recomienda:

- Seleccionarexplosivosquedesarrollenen las pa.redesdel barrenotensionesinferioreso igualeseRC'".

- ProvocarunavariacindelacurvaPresin-Tiempc(P-t), por desacoplamientode la cargadentro debarreno.

Estos puntos tienensu mximaexpresinen el di.seo de voladuras perimetrales o de contorno.

El consumoespecficodeexplosivorequeridoen la~voladuras en banco puedecorrelacionarsecon la re.sistenciaa compresin,tal como se indica en la Ta.bla 17.1(Kutuzov, 1979).

2.3. Porosidad

Existendostiposdeporosidad:la intergranular (de formacin y la de disolucin o post-formacin.

La primera,cuya distribucin en el macizo puedEconsiderarseuniforme,provocados efectos:

- Atenuacinde la energa de la onda de choque.- Reduccin de la resistenciadinmica a la com

21~

BenjaResaltar

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TABLA 17.1.

./

CLASIFICACION DE LAS ROCAS SEGUN SU FACILIDAD A LA FRAGMENTACIONCON EXPLOSIVOS EN MINAS A CIELO ABIERTO

presin y, consecuentemente, incremento de latrituracin y porcentaje de finos.

El trabajo de fragmentacin de rocas muy porosasse realiza, casi en su totalidad, por la energa de bur-buja, por lo que debern observarse las siguientesrecomendaciones:

- Utilizar explosivos con una relacin EB/ET ele-vada, como por ejemplo el ANFO.

- Incrementar la EB a costa de la ET, medianteel desacoplamiento de las cargas y los sistemasde iniciacin.

- Retener los gases de voladuras a alta presin conun dimensionamiento adecuado de la longitud ytipo de retacado.

- Con varios frentes libres, mantener dimensionesiguales de la piedra en cada barreno.

La porosidad de post-formacin es la causada porlos huecos y cavidades que resultan de la disolucindel material rocoso por las aguas subterrneas(karstificacin). Los espacios vacos son mucho ma-yores y su distribucin es menos uniforme que la dela porosidad intergranular.

'COQUERA

RETACAOO

INTERMEDIO

Figura 17.1. Ejecucin correcta de la carga de un explo-sivo a granel en un terrenocon coqueras.

218

Tambin en las rocas de origen volcnico es fre-cuente encontrar un gran nmero de oquedadesformadas durante su consolidacin.

Las cavidades intersectadas por los barrenos noslo dificultan la perforacin con la prdida de vari-llaje y atranques, sino incluso la eficiencia de la vola-dura, especialmente cuando se utilizan explosivos agranel y bombeables. Fig. 17.1.

Si los barrenos no intersectan a las cavidades, elrendimiento de la voladura tambin disminuye por:

- La prematura terminacin de las grietas radialesal ser interrumpidas en su propagacin por loshuecos existentes.

- La rpida cada de la presin de los gases al in-tercomunicarse el barreno con las cavidades. Y

por ello, el frenado de la apertura de grietas ra-diales al escapar los gases hacia los espacios va-cos.

2.4. Friccin interna

Como las rocas no constituyen un medio elstico,parte de la energa de la onda de tensin que se pro-paga a travs de l se convierte en calor por diversosmecanismos. Estos mecanismos son conocidos porfriccin interna o capacidad de amortizacin espe-cfica-SOC, que miden la disponibilidad de las rocaspara atenuar la onda de tensin generada por la deto-nacin del explosivo. La SOC vara considerable-mente con el tipo de roca: desde valores de 0,02-0,06para los granitos (Windes, 1950; Blair, 1956) hasta losde 0,07-0,33 para areniscas. La SOC aumenta con laporosidad, la permeabilidad, las juntas y el contenidoen agua de la roca. Tambin aumenta considerable-mente con los niveles meteorizados en funcin de su

espesor y alteracin.La intensidad de la fracturacin debida a la onda de

tensin aumenta conforme disminuye la SOCo As por

CONSUMOESPECIFICODEEXPLOSIVO DISTANCIAMEDIA RESISTENCIADELA DENSIDAD

ENTRE FRACTURAS ROCAA COMPRE- DELALIMITESDECLASES VALORMEDIO NATURALESEN SIONSIMPLE ROCA

(kg/m3) (kg/m3) EL MACIZO(m) (MPa) (t/m3)

0,12-0,18 0,150 < 0,10 10-30 1,40-1,800,18-0,27 0,225 0,10-0,25 20-45 1,75-2,350,27-0,38 0,320 0,20-0,50 30-65 2,25-2,550,38-0,52 0,450 0,45-0,75 50-90 2,50-2,800,52-0,68 0,600 0,70-1,00 70-120 2,75-2,900,68-0,88 0,780 0,95-1,25 110-160 2,85-3,000,88-1,10 0,990 1,20-1,50 145-205 2,95-3,201,10-1,37 1,235 1,45-1,70 195-250 3,15-3,401,37-1,68 1,525 1,65-1,90 235-300 3,35-3,601,68-2,03 1,855 > 1,85 > 285 > 3,55

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__nmnnmnmn--

.

.ejemplo,losexplosivostipo hidrogelesson msefecti-vos en formacionesdurasy cristalinasqueen los ma-

.teriales blandos y descompuestos(Cook, 1961;Lang1966).Por el contrario, en stos ltimos,el ANFO esmsadecuadoapesardesumenorenergadetensin.

~

2.5. Conductividad

~ Las fugaso derivacionesde corrientepuedenocurrircuandolosdetonadoressecolocandentrodelosbarrenosenrocasdeciertaconductividad,como

. porejemplolossulfuroscomplejos,magnetitas,etc.,especialmentecuando las rocas son abrasivasyexisteaguaen el entornode la pega.Las medidas

~quedebentomarseparaevitarestosproblemasson:

- Verificarque los cablesd~los detonadoresdis-

~ ponendelaislamientoplsticoen buenestado,y- Que todas las conexionesdel circuito estndebi-damenteaisladas y protegidas.Para ello, se re-comiendaemplearconectadores rpidos.

~

El fallo de alguno de los detonadorespuedeafectarconsiderablementea los resultadosobtenidosen las

~ voladuras.

~ 2.6. La composicinde la rocay las explosionessecundarias de polvo

Lasexplosionessecundariasdepolvosuelenprodu-~ cirseenminasdecarbnytambindesulfurosmetli-

cos, en reascon alto contenidoen pirita,y son cadada msfrecuentespor la utilizacinde barrenJs de

~ gran dimetro.Lasprimerascargasquesedisparanenunavoladura

crean por un lado, unaaltacantidadde finos queson

~ lanzadosa la atmsferay porotro,remuevenconlaonda areay las vibracionesinducidasel polvodepo-sitadoen los hastialesyel pisodelhuecode laexcava-

cin.Si laenergade los gasesde lasltimascargases, suficientementeelevadapara la concentracinde

polvoalcanzada,puedellegaraproducirexplosionessecundariasdeefectosdevastadoresimportantespara

I lasinstalacionesdeventilacin,puertasderegulacin,equiposmviles,etc.

La probabilidadde quese produzcanexplosiones

~ secundariasdepolvopuedeminimizarsetomandoal-gunas de las siguientesmedidas:

- Suprimirelusodeexplosivosaluminizados,yaquelas partculasde AI2O3a altatemperaturaen losproductosdedetonacinsoncentrospotencialesde ignicin.

I - Seleccionarun explosivoy unageometriade losbarrenosdelcuelequeproduzcanmateJialrelati-vamentegrueso.

I - Retacarlosbarrenosconarenadelexterior,tacosdearcillao ampollasdeagua.

- Crearunanubedepolvodecalizauotroinhibidorpor delantedel frentehaciendoestallarun sacocondichomaterialmedianteundetonadorquese

- ili'

disparaunosmilisegundosantesquelavoladura.- Lavarfrecuentementelasparedesypisosdelaex-

cavacinparaeliminarel polvodepositado.- Dispararlasvoladurasdespusde procedera la

evacuacincompletadelpersonalde lasminas.

3. PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCO-SOS

3.1. Litologa

Lasvoladurasenzonasdondeseproduceuncambiolitolgicobrusco,porejemploestrilymineral,ycon-secuentementeunavariacinde laspropiedadesre-sistentesdelasrocasobligaaunareconsideracindeldiseo,pudiendoseguirsedoscaminos:

a) Esquemasigualesparalos dos tiposde rocayvariacindelascargasunitarias.

b) Esquemasdistintosperoconigualcargaporba-rreno.Estadisposicinsueleadaptarsemante-niendoigualladimensindelapiedraFig.17.2,yaquelaintroduccindeunesquemaSxB"distintoen cadazonaentraaraunamayorcomplejidadde perforaciny un escalonamientodel nuevofrentecreado.

RELE

Figura 17.2. Cambiode esquemarecomendado.B =B'S #-S'.

Los yacimientosestratiformessemihorizontalesquepresentanalgnhorizontemuyresistentepue-denconducira untipodevoladurasparticularenlasque las cargasse alojenen los barrenosperfecta-menteconfinadasa la alturade tales horizontes.Tambines aconsejableque la localizacinde losmultiplicadoresen las columnasde explosivocoin-cidaconlosnivelesmsdurosa findeaprovecharalmximola energadetensindesarrollada.

Cuandose encuentranencontactodosmaterialesde caractersticasresistentesmuydiferentes,comoporejemplounacalizacompetenteencontactocon

219

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arcillas muy plsticas, y si los barrenos atraviesanestastormaciones,tendr lugaruna gran prdidadeenergiaasociadacon la cadade presiny escapedelos gasesal producirsedeformacionesrpidasde di-chos materialesblandos y, por consiguiente,se ob-tendruna mala fragmentacin.Fig. 17.3.

ARC'LLA PLASTlCACAUZA

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RETACADe-------

CAUZA./' ESCAPE DE GASESA.-ALTA PRESK>N

tt

TABLA 17.2.

-

-

-

-

-

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-

-TABLA 17.3. COMBINACIONES POSIBLES DE ES-PACIAMIENTO ENTRE BARRENOS (S), FRACTU-

tRAS (JJ Y TAMAO MAXIMO DE BLOQUE ADMISI-BLE (M)

-

~

~

.

.

. nacin de las discontinuidadesy al ngulo relativodelas direcciones citadas.

Especial cuidado debe prestarsecuando las dis-. continuidadessonsubverticalesy ladireccindesa-

lida es normala la de stas,pues es frecuentela so-breexcavacinpordetrsde laltimafiladebarrenosy

. se hace necesariala perforacininclinadapara man-tenerladimensinde lapiedraen laprimeralneade lapega. Fig. 17.4Y Foto 17.3.

~ Cuando laestratificacino los sistemasdejuntasse,presentancon un ngulo menorde 30,se recomienda.

J

Foto17.2. Macizodecalizaintensamentediaclasado.

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TABLA 17.4

"--

"

DISEO DE VOLADURAS ATENDIENDO AL CONTROL GEOESTRUCTURAL

DIRECCION DE LOS ESTRATOS

---1------------

FRENTELIBRE

INCLlNACION DE

LOS ESTRATOS

a = 0

- ---

---

a = 90

a = 45

0 < a < 45

(Similar al caso anterior,la dureza es

determinante)

45< a < 90

222

PLANO DE VOLADURA

DIRECCION DE SALIDA DE LA VOLADURA

ANGULOENTRE LA DIRECCION DE LOS ESTRATOSY LA SALIDA DE LA VOLADURA

Direccin de salida indiferente

~=oo=180=360

~=45=135=225==315

~=90o=270

~=00=1800=360

rJ=45=135

~=90

~=225=315

~=270

~=OO=180=360

rJ=45=1350

~=90

~=225=315

~=270

rJ=90 -

~=270

Buena fragmentacin.Frente irregular

Fragmentacin variable.Frente en dientes de sierra

Direccin ms favorable

Buena

Desfavorable

Poco favorable

Aceptable

Muy favorable

Buena

Desfavorable

Poco favorable

Aceptable

Muy favorable

Poco favorable

Favorable

(Dependiendo del valor de a y de la competenciade la roca, los resultados estarn ms prximosa (J. = 45 (J. = 90)

BenjaResaltar

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..

~

~

t

~

Foto 17.3. Frentede voladuracoincidentecon un plano deestratificacin.

~ que los barrenos sean normales a dichos planos con elfin de aumentar el rendimientode lasvoladuras.

Si se conoce la disposicin en planta de la comparti-

~ mentacinde los macizos,debertambinser conside-radaparala colocacinde las cargasde explosivoconlosespaciamientosapropiados,envezdemantenerunadistanciauniformeentrestas. En efecto,situaciones

~ como la esquematizadaen la Fig. 17.5,en la que lasfracturasse disponenen familiasqueformanngulossuplementarios,danorigena liberacionesdesigualesde

, la energa de los explosivos, llegando la roca a fragmen-tarse excesivamente en las zonas con ngulos agudos,y produciendo bloques grandes en las zonas con ngu-

f los obtusos.AREA DE SOBREFRACTURACIDN

N

o - E

s

AREA DE SOBREFRACTURACIDN

I Fig. 17.5. Influenciade lossistemasdefracturasno ortogo-nalesdeun macizorocosoenlos resultadosde la fragmenta-

cin (Proyeccinhorizontal).

Para evitarestos problemas,que influyenmuchasveces en la transmisinde importantesvibracionesalterreno,las cargas de explosivodebenser colocadaspreferentementejuntoa zonas con ngulosobtusos,yel espaciamientoentrebarrenos siendoparaleloa lasdireccionesde los planosdefractura.Ademsde estosprocedimientos,se recomiendauna programacindelas secuenciasde disparode las cargas,con el fin decrear la mximasuperficielibredespusde cadadeto-nacin,circunstanciaquedependede la geometradefracturacindel macizo.Cuandoes posiblecambiareldimetrode losbarrenos,se aconsejautilizarlosdime-trosmspequeosen el interiordezonasmsfractura-das, paracontrolarmejorla fragmentaciny los impac-tosambientalesresultantes.

Otrasalternativaspara implementarel controlgeoes-tructuralconsistenen dotara lasvoladurasde lneasdebarrenosdeprecorte,loscualesreducenla probabilidadde sobrefracturacindel macizo remanente,aunquepuedenocasionarvibracionesexcesivas.

a

b

c

Figura 17.6. Direcciones relativas de los estratos con res-

pecto al eje de los tneles.

223

BenjaSubrayado

En lostrabajosde excavacindetneleslascaracte-rsticas estructuralescondicionanen gran medidalage6metradel perfilde los mismos,casi rectangularsilas rocasson masivasy con arco de coronacinsi lasrocasson msinestables.Cuandolas discontinuidadesson normalesal ejede lostneles,lasvoladurassuelenrealizarse con buenos resultados, Fig. 17.6.a. Si laestratificacino las discontinuidadesson paralelasaleje de los tneles,Fig. 17.6.b,confrecuencialos avan-ces no son demasiadobuenosy los frentesson desi-guales.Cuandola estratificacinpresentaunadireccinoblicua con respectoal eje de los tnelesexistirunladosobreelqueresultarmsfcilvolar,enel casodela Fig. 17.6.cenel ladoizquierdo.

Por otro lado, las rocas muy laminadas con altaesquistosidad y fisuracin responden bien a los cuelesen V, y en tneles de gran dimetro se consiguen gran-des avances, de hasta 6 m, con ese tipo de cueles.

Cuando se utilizan los cueles en V en pozos de sec-cin rectangular, los mejores resultados se obtienencuando las discontinuidades son paralela.sa las aristasde los diedros de los planos que conforman las cuasdel cuele. Fig. 17.7.

Las tendenciasson, por tanto,utilizaresquemasdevoladurasverstiles,quese adaptena las discontinui-dadesde los macizos,exigindoseas unconocimientopreviodestas.

DISCONTINUIDADES PERIMETRO

PRINCIPALES DEL POZO

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j

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Figura 17.7. Pozo rectangular con cuele en V (Hagan, 1983).

3.3. Tensiones de campo

Cuando actan las tensionesde campo residuales,

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tectnicasy/ogravitacionales(no hidrostticas),el es- ,-quemade fracturasgeneradoalrededorde los barre-nos puedeestar influenciadopor la concentracinnouniformede tensionesalrededordel mismo.

En las rocas masivashomogneas,las grietas queempiezana propagarseradialmentedesde los barre-nostiendenaseguirladireccinde astensionesprin- '-cipales.

As porejemplo,enel avancede galerasen macizosrocosos con unaaltaconcentracindetensionesresi-duales,comoenelcasode la Fig. 17.8,lasecuenciadedisparoen los barrenosdel cueledeberadecuarsealas mismas.

Si en los planos de precorte de las excavacionesproyectadasactantensionesnormalesal mismo,losresultadosobtenidosno sernsatisfactorios,a menos

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seCUENCIADE INIOIACION

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4.TENSlo"~~~C~~~~Clg~LES:;:r-

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Figura 17.8. Secuencia de iniciacin en un cuele con ba-rreno central de dimetroy tensionesresidualeshorizonta-

les (a) Secuencia incorrecta (b) Secuenciacorrecta.

queelespaciamientoentrebarrenossereduzcaconsi-derablementeoserealicepreviamenteunaexcavacinpilotoprximaquesirvaparala relajacindelmacizoliberandodichastensionesy se sustituyael precorteporunavoladuraderecorte.

3.4. Presenciade agua

Las rocas porosasy los macizosintensamentefrac-turadoscuandoseencuentransaturadosdeaguapre-sentan habitualmenteciertos problemas:

- Obligana seleccionarexplosivosno alterablesporel agua.

- Producenlaprdidadebarrenosporhundimientosinternos,y

- Dificultan la perforacininclinada.

Por otro lado, el agua afecta a las rocas y a losmacizos rocosos en los siguientesaspectos:

- Aumentalavelocidaddepropagacindelasondaselsticasen terrenos porosos y agrietados.

- Reducelaresistenciadelasrocasacompresinyatraccin (Oberty Duvall,1967)al ser menorlafric-cin entre partculas.

- Reduce la atenuacinde las ondas de choque y,por ello, se intensificanlos efectos de rotura porla "ET (Ash, 1968).

- Las juntas llenas de agua permitenel paso de lasondasde choquesin que se produzcaun des-costramientointerno.Perocuandoel macizoen-traentensin,eseaguase movilizaejerciendounaaccindecuaquepuedellegara producirunagransobreexcavacin.

3.5. Temperatura del macizo rocoso

Los yacimientosque contienen piritas suelen pre-sentar problemasde altas temperatu ras de la rocapor efecto de la oxidacin lenta de este mineral, ha-ciendo que los agentes explosivos del tipo ANFOreaccionen exotrmicamente con la pirita excitn-dose a partir de una temperatura de 120Ci: 10C.

Las ltimas investigacionesapuntana una primerareaccinentreel ANFO y el sulfatoferroso hidratado,y ms especialmenteentre ste ltimo y el nitratoamnico,inicindoseuna reaccinexotrmica quese automantienea partir de los 80C. Este sulfatoferroso es uno de los productos dedescomposicinde las piritas, adems del sulfato frrico y el cidosulfrico.

Para obviareste inconveniente,que en variasoca-sioneshadesembocadoengravesaccidentes,sehanaadido diversassustancias inhibidoras del ANFO,tales como urea, oxalato potsico,etc., llegandoa laconclusin de que con el aporte al ANFO de un 5%en peso de urea se evita la reaccin exotrmica de lamezcla ternaria hasta una temperatura de 180C(Miron et al, 1979).

La sensibilidad de los explosivos tipo hidrogel de-pende tambin de la temperatura de la roca con laque est en contacto, por ello, es necesario prestargran atencin a ste fenmeno.

Una recomendacingeneral cuando se presentanestos problemases la de limitar el nmero de barre-nos por voladura, a fin de disminuir el tiempo quetranscurre entre la carga y el disparo.

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