Tecnicas Para Mejorrar Voladuras

8/13/2019 Tecnicas Para Mejorrar Voladuras

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Tcnicas para Mejorar la Voladura Minera

A.R. Cameron, T.H. Kleine, D.M. Morrison, W.W. Forsyth, S.Arce

Golder Associates

RESUMEN

La Voladura es una de las primeras operaciones del ciclo de minado y su impacto es fundamental en laproductividad y economa de la mina. El diseo de la voladura y la revisin de sus resultados, debe hacer-se teniendo en cuenta el contexto de la operacin minera en su totalidad en trminos de productividad ycosto. De esta manera, el efecto de los cambios efectuados al proceso de la voladura, dentro de la opera-cin minera total, podr ser medido y por lo tanto, mejores decisiones podrn ser adoptadas.

Diferentes tcnicas y herramientas estn siendo desarrolladas para ayudar al ingeniero en la optimizacin

del trabajo de voladura. En la mayora de los casos, estas tcnicas enfocan aspectos especficos tcnicosde la voladura y no logran integrar la voladura dentro del contexto integral de la operacin minera. Lassiguientes herramientas de software se encuentran disponibles:

Generacin automtica de mallas de perforacin de bancos y diseo de anillos de voladura para mine-ra subterrnea.

Evaluacin del diseo del disparo en trminos de la distribucin del explosivo y la simulacin de ladetonacin.

Prediccin de la fragmentacin a producirse Monitoreo de la voladura para evaluar su performance dinmica. La medicin de vibraciones, despliegue y procesamiento de seales. Evaluacin de los resultados de la voladura en trminos de la fragmentacin generada. Evaluacin del riesgo y confiabilidad de la voladura.

Por lo general, las herramientas deseadas por el ingeniero de voladura han mejorado considerablementeen estos ltimos aos, y ahora es comn incluir la presentacin grfica en los diseos de voladura (desuperficie y subterrnea), el anlisis del diseo, la prediccin y medicin de los resultados del disparo. Ladificultad se encuentra en poder relacionar los resultados de la voladura, como la fragmentacin, diluciny daos, a los parmetros de productividad tales como, el ciclo de minado, el tiempo de limpieza y laproduccin de la chancadora, etc., todos ellos de enorme influencia en la economa de la operacin mine-ra. La aparente poca disposicin a utilizar las herramientas de diseo y monitoreo disponibles se relacionaa la dificultad de poder cuantificar el impacto de los malos disparos en la marcha econmica de las minas.

1. INTRODUCCION

La minera involucra una serie de operacionesdiscretas que tienen lugar secuencialmente dondela secuencia completa se repite sucesivamente. LaFigura 1ilustra un caso relativamente sencillo delminado de bancos. Las operaciones centradas al-rededor de la perforacin y la voladura ocurren alprincipio en el ciclo de minado y los resultados deestas operaciones tienen un gran impacto en la

eficiencia y el costo de minado de un bloque enparticular. Si el resultado de la voladura es pobreentonces el carguo ser ms difcil y habr unareduccin de la productividad de la seccin. Sinembargo, la produccin puede continuar en otrofrente por lo que las operaciones no se ven afecta-das a consecuencia de la excavacin del mal dispa-ro. El desarrollo y el minado de corte y relleno enminas subterrneas presentan obstculos adiciona-les en la secuencia de las operaciones debido a quedespus de cada disparo, el


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rea debe ser limpiada, desquinchada, sostenida yrellenada, antes de poder continuar el ciclo en lamisma rea, tal como se muestra en laFigura 2. Si

los resultados del disparo son psimos, lo usual esque se originen daos adicionales a las cajas y eltecho del tajeo lo que ocasiona mayor tiempo ycosto de las actividades de desquinche y sosteni-miento. La presencia de sobreexcavacin y malafragmentacin causa una disminucin en la efi-ciencia, y en el caso de los desarrollos, un incre-mento del volumen de desmonte a ser manipulado,transportado y depositado. Ya que cada ciclo deminado no puede empezar hasta que haya finaliza-do el ciclo anterior, la productividad integral delfrente o tajeo est entonces gobernada por los

resultados de las operaciones de perforacin yvoladura.

En la voladura masiva de tajeos subterrneos (bulkmining), el desarrollo de los blocs se logra conbastante esfuerzo y es comn que los taladros deproduccin se perforen completamente antes decada disparo. Algunos elementos del ciclo de mi-nado no dependen de los resultados del disparo(ver Figura 3), sin embargo, la produccin finaldel tajeo es muy dependiente del resultado de lavoladura.

Figura 1. Diagrama de Flujo de la Operacin de Minado de

tajo abierto.

Figura 2. Diagrama de Flujo del Corte y Relleno en MinaSubterrnea.

La mala perforacin y voladura pueden produ-cir:

Fragmentacin gruesa y bancos y por ende unabaja eficiencia de las palas, voladura secunda-ria, mayor trabajo de la chancadora, prdidasde mineral y aumento del mantenimiento delos cargadores frontales, LHD, chancadoras,camiones, etc..

Daos a las cajas y techos de los tajeos, comoresultado se tendr un mayor costo de soste-nimiento, accidentes, dilucin y menorrecuperacin metalrgica.

Exceso de finos, dilucin y baja recuperacinde mineral.

Daos a los pilares, mayores costos de soste-nimiento, esterilizacin del mineral.

Niveles excesivos de vibracin y ondas sono-ras que causan daos ambientales y a los ser-vicios de la mina.

Preparar Superficie de Perforacin

Marcar la Malla de perforacin

Perforar los Taladros

Cargar los Explosivos

Disparar

Excavar

Marcar la Malla de Perforacin

Perforar Taladros

Cargar Explosivos

Iniciar Disparo

Disparar

Limpiar Disparo

Desquinchar

Instalar Sostenimiento

Rellenar


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Figura 3. Diagrama de flujo de la Operacin de un Tajo deMinado Masivo en Mina Subterrnea

Debido a que los costos de perforacin y voladuratienen una gran influencia en el desarrollo de ulte-riores operaciones mineras, la perforacin y lavoladura no pueden optimizarse separadamentedel resto del sistema de la mina. Los estudios de

optimizacin deben contemplar el total de produc-cin del metal e incluir los costos reales para quela efectividad global de la operacin pueda ser asmedida y optimizada en trminos de la disminu-cin del costo unitario final del metal producido.

Las herramientas tcnicas que estn disponiblespara asistir con la optimizacin del proceso pro-ductivo minero enfocan aspectos discretos delproceso, sin embargo, stas rara vez incluyen elmanejo de la informacin de costos.

2. HERRAMIENTAS PARA EL DISEODE LA VOLADURA

2.1 Generacin automtica de mallas de voladura

Las mallas de los disparos pueden variar en com-plejidad desde simples configuraciones cuadradaspara la voladura de bancos, mallas escalonadaspara bancos de geometra compleja, hasta mallasradiales (o en anillo) para tajeos subterrneos. Lasherramientas computacionales

desarrolladas para asistir el diseo de estas mallaspuede significar ahorros importantes en mano deobra como tambin un aumento en la exactitud delos diseos. Hay herramientas disponibles paraaplicaciones en operaciones subterrneas y desuperficie. Un ejemplo de una aplicacin subterr-nea se describe a continuacin.

El diseo de mallas de voladura para tajos de mi-nado masivo en operaciones subterrneas es unproceso que requiere exactitud y consume muchotiempo. El criterio y los procedimientos de diseode los anillos necesitan de ser flexibles para adap-tarse a las complejas geometras, y al mismo tiem-po tomar en consideracin las numerosas limita-ciones operacionales y retos tcnicos de balancearla fragmentacin adecuada con el mnimo de so-breexcavacin y dao. El diseo manual de anillosgeneralmente involucra la aplicacin de variasreglas de diseo, y el tedioso uso de reglas, trans-

portadores y calculadoras para poder dibujar tala-dros directamente en las secciones de los tajos.Adicionalmente el ingeniero debe tener en cuentalas limitaciones del equipo de perforacin.

An cuando el despliegue del diseo est comple-to, se requerir trabajo de ingeniera adicional.Cada taladro debe ser anotado en la tabla de perfo-racin que se entrega al operador con las especifi-caciones de cada taladro. Deben medirse los ngu-los y longitudes de cada perforacin, anotarsetodas las interrupciones y verificarse las longitu-

Desarrollar los Accesos de la Perforadora

Desarrollar el Sistema de Limpieza Instalar el Sostenimiento

Perforar los Taladros

Cargar los Explosivos

Iniciar el Disparo

Limpieza del Disparo


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des. Un error de un grado en la orientacin deltaladro puede significar un error de 1m en un tala-dro de 60m de longitud. Un taladro marcado inco-

rrectamente puede significar la sobre-perforacino sub-perforacin del mismo.

El Software GoldRing ha sido desarrollado paraautomatizar este proceso repetitivo y reducir eltiempo de diseo (ver la Figura 4). El programapuede leer archivos de AutoCAD TM y permiteseleccionar la perforacin a partir de una lista deequipos de perforacin disponibles, y posicionar laperforadora en el punto elegido (se permiten ml-tiples posiciones), realizar la rutina de desplegar eltaladro (combinaciones de taladros tanto hacia

arriba como hacia abajo estn disponibles), permi-te anotar en el diseo un nmero arbitrario de ins-trucciones adicionales, y finalmente imprime lashojas a escala para que puedan ser usadas por elperforista. Se pueden usar ajustes manuales y edi-tar el diseo utilizando el Mouse para crear dise-os complejos. El espaciamiento de los fondos ycuellos de los taladros y sus ngulos son verifica-dos continuamente en este proceso de diseo in-teractivo. GoldRing tambin permite la incorpora-cin de ajustes automticos de perforaciones cor-tas a realizarse cerca de los rellenos o lmites del

tajeo.

Figura 4. GoldRing - Generacin Automtica de la Malla deVoladura

GoldRing produce un plan detallado para el perfo-rista que contiene la informacin que l requierepara su trabajo. Estos planos pueden ser personali-

zados para las necesidades particulares y estnda-res de la mina. Tambin se soportan funcionescontables como registrar el metraje de perforacin

y el volumen de cada disparo.

2.2 Carga de explosivos

La cantidad requerida de explosivo as como suubicacin en los taladros son parmetros frecuen-temente establecidos por cada mina sobre la basede su experiencia y juicio. Estas guas varan de-pendiendo del tipo del disparo y las condicionesespecficas. Estas guas pueden incluirse en undiseo flexible de voladura por lo que las hojas de

carguo de explosivo pueden prepararse fcilmentey rpidamente para la cuadrilla de disparo. Sepuede incluir el inventario y los requerimientos deldisparo (cantidad y tipo de explosivo, cantidad yretardo de los detonadores, nmero de boosters,etc.). El objeto es asegurar la existencia de lascantidades suficientes de materiales de voladuradisponibles oportunamente para el disparo. Estainformacin tambin puede enlazarse a un sistemade manejo de costos.

2.3 Diseando la Iniciacin del Disparo

El diseo de una apropiada iniciacin puede facili-tarse mediante un sistema computacional grficoque adems contenga la informacin de la ubica-cin de los taladros y las configuraciones de lascargas de explosivo. El sistema grfico permiteque las cargas explosivas sean convenientementeamarradas cuando el operador selecciona el retar-do correspondiente. As se disea el orden y tiem-po de iniciacin de cada carga. Tambin es posibleel semi automatismo de los amarres, an en dispa-

ros extensos en tajo abierto, lo que reduce bastanteel tiempo requerido para producir y verificar dise-os muy extensos.

Una vez que la informacin de la iniciacin estdisponible, recin entonces se podr evaluar losaspectos dinmicos del diseo. Esta evaluacinincluye la simulacin de la secuencia de iniciacindel disparo incluyendo los efectos de la dispersinen los retardos, el anlisis del efecto de cada pe-rodo de iniciacin en la frecuencia de vibracindel terreno y la evaluacin de la cantidad de ex-


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plosivo que detonar por retardo, como tambin laprobabilidad de exceder esta cantidad.

2.3 Informando sobre los Parmetros de Eficiencia

La tcnica ms comn para evaluar el diseo de undisparo es calcular y evaluar algunos parmetrostpicos tales como el Factor de Potencia y el Costopor Tonelada del material roto. Estos clculos serealizan fcilmente mediante hojas de clculo.

2.4 Simulacin de la Iniciacin del Disparo

Hay programas de computadora disponibles parasimular la iniciacin del disparo. Uno de estos,conocido como GoldFire tiene el atractivo de ani-mar el proceso de detonacin. La detonacin decada conector, elemento de retardo y el taladro sedespliega grficamente en la pantalla de manerasimilar a una pelcula en cmara lenta (ver Figura5). El programa suministra apreciacin valiosa dela secuencia de detonacin de los diferentes com-ponentes del diseo, particularmente til para dis-paros complejos. El programa puede calcular vo-laduras secuenciales mltiples usando tcnicas

numricas, tales como Monte Carlo, para simularla dispersin de los retardos. Esta tcnica suminis-tra un medio de estimar los riesgos que involucrala implementacin de diseos de voladura alterna-tivos. En el anlisis se pueden incorporar diferen-tes tipos de explosivos y retardos.

2.5 Anlisis de la Distribucin de la Energa delExplosivo

La distribucin de la energa generada por el ex-

plosivo en un determinado volumen de roca tieneun impacto significativo en el resultado del dispa-ro. Una imagen grfica de esta distribucin de laenerga ayuda al ingeniero a comprender las rela-ciones geomtricas entre las cargas y el impacto deque estas tienen en cada una. Un ejemplo se mues-tra en la Figura 6.

2.6 Modelamiento de la Voladura en la Vibracindel Terreno

El programa GoldFire tiene funciones de amplifi-cacin para determinar el nivel de superposicin

Figura 5. GoldFire - Simulacin de la Iniciacin de un Dis-paro

Figura 6. GoldRing - Anlisis de la Distribucin de la Ener-ga del Explosivo

de la vibracin que puede ocurrir en un rango defrecuencias sensibles y as poder estimar el poten-cial de amplificacin de la vibracin para el diseode una voladura en particular. Se utilizan las se-cuencias de detonacin para predecir las trazas delos tres componentes de la vibracin para compa-rarse con los valores reales medidos en el terreno.La prediccin de los tres componentes o puedenbasarse en cualquier nmero de registros de vibra-ciones para predecir la vibracin en diferentescondiciones de terreno y a partir de diferentesexplosivos. Se utilizan secuencias estadsticas de


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encendido para estimar la probabilidad de excederlos lmites particulares de la vibracin.

2.7 Modelando la fragmentacin del disparo.

Un ejemplo de un sistema de prediccin de lafragmentacin se llama GoldFrag (ver la Figura 7).GoldFrag utiliza el modelo Kuz-Ram de fragmen-tacin para predecir la fragmentacin de la roca enel disparo de un banco de una sola cara libre. Ladistribucin completa de los tamaos fragmenta-dos es estimada, incluyendo los componentes msgruesos y ms finos. La alimentacin de variosparmetros puede ser modificada de manera inter-

activa en el programa el cual inmediatamente recalcula y grfica la distribucin de la fragmenta-cin y actualiza la informacin resumida con lasproporciones del material. El modelo Kuz-Ramtoma en consideracin la disposicin del disparo,el tipo de roca y el explosivo utilizado, aunque nose pueden hacer cambios en la secuencia de vola-dura. Tambin incorpora los efectos del burden, elespaciamiento, dimetro del taladro, longitud ytipo de carga, el tipo de malla, el fracturamiento dela roca y la resistencia de la roca.

Figura 7. GoldFrag - Prediccin de la Fragmentacin de un

Disparo.

GoldFrag provee de un medio de determinar elefecto de la fragmentacin al variarse el burden, elespaciamiento, la altura del banco, el dimetro deltaladro, el tipo y performance del explosivo y lamalla de voladura. El programa suministra res-menes impresos de los diseos de voladura con los

resultados de la fragmentacin. Tambin almacenainformacin relevante en un archivo compatiblecon hojas de clculo estndar para procesamiento

posterior.

3. HERRAMIENTAS PARA EVALUARLA VOLADURA

3.1 Monitoreo de la Vibracin del Disparo

Tradicionalmente el monitoreo de la vibracinproducida por un disparo incluye la medicin de lavelocidad pico de las partculas (PPV) en una ovarias ubicaciones distantes del disparo. Este en-

foque es un buen indicador de la extensin a lacual las vibraciones se pueden reducir al modificarel diseo de la voladura pero no permite una de-terminacin detallada del disparo. El actual estadodel arte permite registrar la completa onda de vi-bracin. Estas ondas referenciadas a una base detiempo sincronizada, generalmente permiten iden-tificar la oportunidad de iniciacin de cada carga.Los tiros cortados son aquellas cargas que hanfallado en iniciarse o detonar exactamente segnlo planeado, aqu se incluyen las detonaciones porsimpata, detonaciones instantneas y las detona-

ciones fuera de secuencia. En la Figura 8 se mues-tra un ejemplo de dos detonaciones instantneas.

Figura 8. Monitoreo de la Vibracin mostrando los eventosde iniciacin de las cargas.

DetonacionesInstantneas

Inicio delDisparo


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3.2 Evaluacin de la Fragmentacin

El grado de fragmentacin y aflojamiento de las

rumas producidas en los disparos tienen una graninfluencia en el rendimiento de los LHD, cargado-res, tractores y camiones. A su vez esto afectasignificativamente el costo total asociado al mane-jo de los materiales. En operaciones mineras queutilizan tcnicas de lixiviacin en pilas, la calidadde la fragmentacin es vital para el proceso. Elconocimiento de la distribucin de los tamaospuede utilizarse para evaluar la performance deldisparo y puede utilizarse en la optimizacin de lasoperaciones de minado.

La distribucin del tamao de los fragmentos en laruma puede ser evaluada a travs del anlisis decualquier fotografa o imagen de vdeo de la ruma.Estas imgenes son tomadas durante la excavacinde la ruma. Como patrn de referencia se utilizaun disco o la cuchara de la pala para mostrar laescala de la imagen. La dimensin de las partcu-las en las imgenes se determinan usando un pro-grama de computadora especficamente desarro-llado para este propsito y se llama GoldSize (fi-guras 9.1 y 9.2). La correccin del material finoque no est visible en la imagen se realiza autom-

ticamente mediante la utilizacin de un algoritmobasado en informacin publicada. Este sistema deevaluar la fragmentacin es sencillo y no ocasionainterferencias en la operacin minera. La informa-cin procesada se despliega en grficos de distri-bucin granulomtrica simples de evaluar.

Figura 9.1 GoldSize Los fragmentos son delineados en unaserie de imgenes

Figura 9.2. Despliegue de la distribucin granulomtrica deldisparo.

4. DISCUSIN

La voladura es un proceso complejo, dinmico yque tiene un impacto considerable en las operacio-nes mineras y tambin en el medio ambiente. Loscomponentes individuales del proceso, tales como,el diseo, la operacin y la evaluacin del disparo,son as mismo complicados y estn sujetos a lagran variabilidad de varios parmetros. El enfoquetradicional de optimizacin ha sido subjetivo eintuitivo ms que objetivo y tecnolgico. De hechoeste enfoque tradicional ha sido exitoso, sin em-bargo ste no puede mejorar significativamente lacalidad del resultado de la voladura existente; losriesgos de introducir cambios significativos usan-do este enfoque son a veces demasiado altos. Tra-tar diferentes diseos de voladura sin instrumenta-cin que proporcione informacin precisa sobrelos cambios realizados rara vez tienen xito; enparte debido a la complejidad y en parte tambin ala variabilidad intrnseca en las operaciones devoladura.

An durante el perodo de experimentacin, laoperacin minera debe contar con una voladurasegura y confiable; esto significa que los cambiosa los diseos de voladura o de operacin deben serrelativamente menores y el monitoreo de los resul-tados tiene que ser ms sofisticado y estrecho a finde detectar cualquier mejora por insignificante que


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sea. La complejidad es un producto de la variabili-dad de la masa rocosa y del nivel de variaciones enlas tcnicas propias de voladura (burden, carga vs

espaciamiento, secuencia de iniciacin, porcentajedel taco).

Las herramientas descritas anteriormente eviden-temente sern de valiosa ayuda al ingeniero y aloperador. Por supuesto que no es posible solucio-nar los problemas de voladura en la oficina, y laltima medida del xito ser la performance deldisparo en el terreno. Sin embargo, es posible paraesta tcnicas eliminar las alternativas que tengan lamenor probabilidad de xito y concentrase enaquellas opciones de diseo que realmente valga la

pena ser probadas fijndose siempre en el impactoen el resultado global de la operacin minera. Esobvio por lo tanto que el trabajo del ingeniero devoladura no debe ser un trabajo aislado, es funda-mental que discuta sus problemas y fije objetivoscon la gente de costos y los operadores de la plan-ta.

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