manual de manejo sismografos

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ANÁLISIS DE VIBRACIONES Y MANUAL BÁSICO DE OPERACIÓN DE EQUIPO SISMÓGRAFICO Carlos Cruzate Pérez Jefe de Instrumentación FAMESA EXPLOSIVOS S.A.C Email: [email protected] Cel: 992 123335 RPC #943 669549 RPM

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Page 1: Manual de Manejo Sismografos

ANÁLISIS DE VIBRACIONES

Y

MANUAL BÁSICO DE OPERACIÓN

DE EQUIPO SISMÓGRAFICO

Carlos Cruzate Pérez Jefe de Instrumentación

FAMESA EXPLOSIVOS S.A.C Email: [email protected]

Cel: 992 123335 RPC #943 669549 RPM

Page 2: Manual de Manejo Sismografos

1.- INTRODUCCION

La Voladura representa una de las operaciones unitarias más relevantes dentro

del proceso de extracción del mineral y que se encuentra íntimamente ligado a

la perforación, siendo su objetivo final lograr tamaños adecuados de roca

fragmentada y apilamiento de material para así obtener mayores eficiencias en

la operaciones posteriores como el carguìo, acarreo y chancado del material

por un lado, y por el otro, generar un daño mínimo a su entorno. El alto grado

de interrelación entre los resultados de la voladura y la eficiencia de las

operaciones unitarias necesarias en la extracción, hacen evidente un control de

sus efectos y los consiguientes costos, los que se verán agudizados

dependiendo del ritmo de producción y leyes que requiere cada mina.

Una de las herramientas de control de la voladura y sus efectos lo podemos

ver en el monitoreo de vibraciones, ya que mediante una adecuada

interpretación de los registros, podremos determinar el grado de interacción de

las variables de una voladura y en definitiva el rendimiento general del diseño.

En este documento se pretende en alguna manera describir la temática básica

de monitoreo de vibraciones así como el uso de los equipos con que FAMESA

EXPLOSIVOS S. A. C. cuenta. Lógicamente este manual estará sujeto a todo

tipo de sugerencias y/o comentarios, así como a su actualización constante,

dado que se irá enriqueciendo a medida que se conozca mucho mas del tema.

Page 3: Manual de Manejo Sismografos

VARIABLES DEL PROCESO DE

VOLADURA

Page 4: Manual de Manejo Sismografos

2.- VARIABLES DEL PROCESO DE VOLADURA:

Son innumerables las variables que se deben considerar para llegar al diseño

de la voladura, pero dado la complejo del tema es necesario tener la base

teórica adecuada para entenderlo, para lo cual se ha ordenado en tres grandes

grupos:

2.1 Propiedades del Macizo Rocoso:

Densidad: Indicador del grado de dificultad para fragmentar una roca.

Resistencia Mecánica: Se obtiene evaluando la tracción y compresión

simple de la roca con pruebas de laboratorio.

Velocidad de propagación de las ondas sísmicas: Es la velocidad con la

que se propaga una onda de choque a través del macizo rocoso y afecta la

distribución de las tensiones en el interior del sólido rocoso. Es una medida

de la elasticidad de la roca.

Impedancia: Es igual al producto de la densidad de la roca por la velocidad

de propagación de las ondas de choque y nos permite analizar la

transferencia de energía de la onda en el macizo rocoso.

Absorción de energía o capacidad de deformación plástica: Da cuenta

de la elasticidad de la roca y expresa la capacidad de ésta para resistir un

impulso y recuperar su forma y fricción original, sin ser colapsada.

Control Estructural: Se analiza la presencia de diaclasas, fracturas y tipos

de fallas propias de la geología del macizo, para establecer el grado de

orientación preferencial y el grado de concentración de estos accidentes

estructurales, importante en la disposición de la malla de perforación y en la

secuencia de salida del disparo.

2.2.- Propiedades del Explosivo:

Densidad: Depende de la materia prima usada en la fabricación del

explosivo y se expresa en términos de la gravedad específica, la cual tiende

a valores críticos sobre todo en explosivos granulares como el Anfo. El Anfo

se caracteriza por un comportamiento no-ideal, lo que hace que su

performance se vea afectado por varios factores, entre ellos, el tamaño y

granulometría de los prills de Nitrato de Amonio (NA), el contenido de

Page 5: Manual de Manejo Sismografos

combustible, el grado de confinamiento, etc. La baja densidad del Anfo se

debe a que los espacios intergranulares ocupan entre un 30 a 40% del

volumen total. Podemos hacer que el Anfo sea más denso modificando la

granulometría, mezclándolo con otros insumos previamente triturados y

llegar a mezclas con densidades mayores de 1.04 g/cc, lo que generará una

potencia volumétrica mayor pero cuidando de no alcanzar la densidad

crítica (1.25 g/cc) para no insensibilizarlo (esta densidad se alcanza si el

Anfo es molido y cargado a presión).

Velocidad de detonación: Velocidad con que la onda de choque viaja a

través de un medio. Los factores que la afectan son:

Diámetro del producto: A mayor diámetro mayor velocidad de detonación.

Cada explosivo tiene un diámetro crítico que corresponde al diámetro

mínimo en el que se da el proceso de detonación, la cual se mantendrá por

si misma en la columna explosiva. En diámetros menores al diámetro

crítico, la velocidad no se mantiene, se extingue.

Energía de iniciación: Un cebado adecuado tiende asegurar que el

explosivo alcance la velocidad máxima de detonación (bajo condiciones de

uso) tan rápidamente como le sea posible. La importancia de lograr el

mayor valor de dicha velocidad de detonación, reside en la influencia del

mecanismo de rotura de la roca.

Impedancia de detonación (PeE x Ve): La impedancia del explosivo

conjuntamente con la impedancia de la roca, indican la capacidad relativa

del explosivo para transmitir energía a dicho medio. La relación ideal entre

ellas debe ser uno (1)

Presión de detonación y volumen de gases: Durante la detonación se

genera una onda de choque, denominada Presión de Detonación, la cual

es portadora de una presión característica que se transmite al medio, y que

está relacionada con la densidad y la velocidad del explosivo. La presión y

volumen de gases de un explosivo nos indica el grado de empuje y

desplazamiento de la roca, y si bien es cierto que depende del explosivo,

también influye en su valor el grado de confinamiento en el taladro y su nivel

de iniciación.

Page 6: Manual de Manejo Sismografos

2.3.- Factores de Carga del Explosivo:

Diámetro del taladro: Relacionado con especificaciones del equipo de

perforación, dimensión y cantidad del explosivo a usar, para alcanzar

determinados niveles de producción.

Uso de taco (stemming): La función del taco es retardar el escape de los

gases producidos por la detonación de un explosivo con lo cual la eficiencia

del mismo se mejora. El no contar con taco en los taladros puede

determinar la existencia de tener un aumento en vibraciones y golpe de aire,

lo cual indica una disminución de la energía y por consiguiente menos

fragmentación.

Secuencia de iniciación del disparo: La secuencia de iniciación del

disparo tiene incidencia directa sobre la proyección y fragmentación de la

roca, el nivel de vibraciones y la relación entre el espaciamiento y burden

efectivo (E/B). Según Hagan, cuando se tiene que iniciar disparos en

bancos de varias filas, la secuencia de iniciación debe ser diseñada de tal

manera que cumpla con lo siguiente:

Cada carga debe tener una cara libre efectiva

La Relación entre E/B debe estar entre 3 y 8

Cuando tenga una sola cara libre, el ángulo subtendido entre taladros

con igual retardo debe estar entre 90º y 160º.

Los ángulos entre la dirección principal del movimiento de la roca y el

límite posterior del banco, deben tener los mayores valores posibles

para minimizar el agrietamiento de las fracturas.

Page 7: Manual de Manejo Sismografos

MONITOREO DE VIBRACIONES

PRODUCTO DE LA VOLADURA

Page 8: Manual de Manejo Sismografos

3.- MONITOREO DE VIBRACIONES PRODUCTO DE LA VOLADURA:

La señal de vibraciones producida por una voladura consta de un número

discreto de paquetes de ondas, cada uno de ellos corresponde a cargas o

grupo de cargas detonando en un determinado tiempo.

La forma y amplitud de las ondas de vibración, nos otorga la efectividad relativa

de la detonación, es así que la amplitud es una medición de la energía

transferida por el explosivo al macizo rocoso, con la cual es posible determinar

el tiempo real de detonación de una o varias cargas, velocidad de partícula,

detonación de cargas de baja eficiencia o no detonadas, detonación

instantánea y detonación de cargas por simpatía; a la vez que podemos

calcular desplazamiento, aceleración y frecuencia de las partículas de la roca.

3.1.-Características de los Datos

Para medir eventos de características transcientes, se debe considerar:

La respuesta en frecuencia del detector

La respuesta en frecuencia del instrumento que almacena la información

La localización y método de acoplamiento del detector

La onda de choque generada por la detonación de cargas explosivas crea

tensiones que producen el fracturamiento en la roca. Esta además se propaga

en forma esférica (en todos los sentidos) y transfiere una energía vibracional al

macizo rocoso que es transmitida por una combinación de mecanismos que se

representa fundamentalmente a través de:

Onda de Compresión.- Conocida también como onda P o Primaria, consiste en

una serie de movimientos de compresión y tensión en el cual el movimiento de

oscilación de la partícula va en la misma dirección de propagación de la onda.

Onda Transversal.- Conocido como onda transversal, de corte o Secundaria y

consiste en oscilaciones de la partícula en forma transversal a la dirección de

propagación de la onda.

Onda Rayleigh.- Son generadas en superficie en respuesta a la interacción de

las ondas body con la superficie. Tiene alguna semejanza con las ondas del

océano en las cuales el movimiento de la partícula es elíptico mientras su

energía se propaga a lo largo de la superficie.

Las principales características de las vibraciones medidas en la vecindad a una

voladura de producción, pueden ser resumidas como sigue:

Page 9: Manual de Manejo Sismografos

Velocidad de partículas 10-1000 mm/s

Desplazamiento dinámico 0.01-2.0 mm

Rango de frecuencia 10-1000 Hz.

Frecuencia dominante 50-500 Hz.

3.2.-Instrumentación para Monitoreo de Vibraciones

La instrumentación es vital y su propósito es localizar transductores en puntos

estratégicos a objeto de obtener una base de información consistente y

representativa.

Para ello pasa por manejar algunos conocimientos de las ondas sísmicas

generadas por la voladura a su alrededor. Estas son importantes puesto que

transportan la energía vibracional, por lo tanto, debemos tener presente sus

relevancias que dependen de la geometría, posición de la voladura y sistema

estructural, por ejemplo, la onda superficial es de menor amplitud y viaja más

distancia, por lo tanto son importantes su medición en un campo lejano, al

contrario de las ondas P y S que son más significativas cerca de la voladura.

Por esto los registros de las vibraciones producidas por voladuras son

almacenados en los sismógrafos, los cuales graban las amplitudes y duración

de los movimientos de la tierra, producto de dichas voladuras, usando los

siguientes componentes:

Transductores: Geófonos o acelerómetros que se instalan en el lugar que se

desee monitorear.

Sistema de cables: Se encargan de llevar la señal captada por los

transductores al equipo de monitoreo.

Equipos de monitoreo: Recibe la señal y la guarda en memoria.

Un computador: Al cual se le incorpora el software apropiado para el traspaso y

análisis de la información.

3.3.-Análisis de la Onda:

La señal de vibraciones producida en una voladura consiste en un número

discreto de paquetes de ondas, donde cada uno de éstos corresponde a cargas

o grupos de cargas detonando en un determinado tiempo, por lo que el primer

paso en el análisis de la señal, es determinar que carga representa cada

paquete de vibración. La forma y amplitud de un paquete de vibración da la

efectividad relativa de la detonación de las cargas. La amplitud de vibración es

Page 10: Manual de Manejo Sismografos

una medición de la energía transferida por el explosivo al macizo rocoso por lo

que para un tipo de carga y geometría de monitoreo, la amplitud relativa puede

ser usada como una medición de la eficiencia de cada carga.

Las principales componentes de las vibraciones del terreno son:

Desplazamiento.- Es la distancia de desplazamiento de la partícula

Velocidad.- Es la velocidad a la cual las partículas se mueven. La máxima

velocidad es la llamada velocidad pico partícula (PPV) y se usa para determinar

la posibilidad de daño.

Frecuencia.- Es el número de veces que una partícula se desplaza hacia

delante y atrás en un segundo. El movimiento completo se conoce como

oscilación o ciclo.

En la figura siguiente, se muestran en detalle cada una de estas características

para una onda ideal.

Vo= Amplitud de la Vibración (mm/s)

T = Periodo de la onda (ms)

F = Frecuencia de la onda (f=1/T) (Hz)

Los sismógrafos modernos cuentan con un Geófono, el cual instalado

“correctamente” registra las tres ondas: vertical, radial y transversal. Cada

una de estos tres componentes del movimiento de la tierra tienen una velocidad

pico partícula (VPP) o máxima amplitud de la onda. La velocidad pico partícula

que se considera es la de mayor valor, es decir, el pico puede ocurrir en

cualesquiera de las tres ondas, por lo que es importante considerar también

que el Vector Resultante (Suma de Vectores) no debe ser confundido con la

velocidad pico partícula.

T=1/f

Vo

Page 11: Manual de Manejo Sismografos

ANÁLISIS DE VIBRACIONES

PRODUCTO DE LA VOLADURA

Page 12: Manual de Manejo Sismografos

4.- ANALISIS DE VIBRACIONES PRODUCTO DE LA VOLADURA:

La mayoría de los registros emitidos por los sismógrafos actuales, graban los

efectos de las vibraciones en unidades de velocidad de partícula, aunque éste

parámetro es usado desde hace muchas décadas es aún un concepto de difícil

entendimiento. Otra manera de cuantificar la vibración en un terreno, es el

desplazamiento y la aceleración de la partícula. Esta última es raramente

usada, pero juega un papel importante en la evaluación de los efectos de las

vibraciones.

4.1.- Análisis Básico:

Diagrama de Tiempo Vs. Desplazamiento

4.1.1.- Desplazamiento: Representa el movimiento de una partícula en un

instante de tiempo desde su posición de equilibrio. Su unidad está dada en

milímetros o pulgadas.

4.1.2.- Velocidad de partícula: Representa la velocidad de partícula en algún

instante, es decir, el cambio de desplazamiento de la partícula con respecto al

tiempo. Su unidad está dada en mm/s o pulgadas/s.

Ejemplo: El desplazamiento de una partícula es de 0.025 mm, en un tiempo de

125 milisegundos y de 0.038 mm en un tiempo de 130 milisegundos. ¿Cuál es

la velocidad de partícula promedio para el periodo comprendido entre los 125 y

130 milisegundos?.

T

T1, D1

T2, D2

T3, D3

D

Page 13: Manual de Manejo Sismografos

Matemáticamente el rango de cambio del desplazamiento con respecto al

tiempo está dado por:

smmTT

DD/6.2

)125.0130.0(

)025.0038.0(

)12(

)12(

Este valor nos indica el cambio de desplazamiento de la partícula por unidad de

tiempo. La Ecuación anterior es simplemente el proceso para hallar la

inclinación de la recta entre dos puntos.

4.1.3.- Aceleración de la partícula: Representa el rango de cambio de

velocidad de la partícula respecto al tiempo. Su unidad está en pulg/s2 ó

mm/s2.

Ejemplo: La velocidad de partícula en un tiempo de 125 milisegundos es de

2.50 mm/s, y en un tiempo de 130 milisegundos es de 3.80 mm/s. ¿Cuál es la

aceleración promedio de la partícula en el tiempo comprendido entre 125 y 130

milisegundos?

Matemáticamente el cambio de velocidad en el tiempo está dado por:

2/0.260)125.0130.0(

)50.280.3(

)12(

)12(smm

TT

VV

Este valor indica la relación de cambio de la velocidad en el tiempo, lo que

equivale a hallar la inclinación de la línea de coordenadas (T1, V1) y (T2, V2).

4.1.4.- Relaciones sinusoidales: Si la caracterización de una vibración fuera

esencialmente sinusoidal, conforme la forma de una onda seno o coseno, las

siguientes ecuaciones simples pueden ser usadas para estimar el

desplazamiento, velocidad y aceleración de la partícula en un determinado

instante. Usualmente en la realidad las ondas producidas por voladura se

asemejan poco a una onda sinusoidal por lo que si deseamos obtener un valor

real se debe recurrir a procesos de derivación e integración.

Las relaciones sinusoidales las presentamos en las siguientes fórmulas y de

ellas las más importantes son la primera y la ultima ecuación. Podemos

analizar estas dos ecuaciones para entender que efecto puede tener la

frecuencia para una velocidad de partícula dada sobre el desplazamiento y la

aceleración:

Page 14: Manual de Manejo Sismografos

1.-)2( F

VD 2.-

2)2( F

AD

3.- FDV 2 4.- )2( F

AV

5.- DFA 2)2( 6.- VFA 2

Donde:

V: Velocidad de partícula

D: Desplazamiento

A: Aceleración

F: Frecuencia

Ejemplo Nº 1: Asumir una onda sinusoidal con una Vp = 12.7 mm/s. ¿Qué

comportamiento tiene el desplazamiento al variar la frecuencia?

Usando la ecuación (1)

FRECUENCIA DESPLAZAMIENTO

F = 25 Hz D = 0.081 mm

F = 10 Hz D = 0.202 mm

F = 03 Hz D = 0.673 mm

Lo evidente de estos cálculos es que para una velocidad de partícula dada, a

menores frecuencias se obtiene mayores desplazamientos, esta relación

muestra la razón principal porque los efectos de vibración con bajas

frecuencias no son deseadas.

Ejemplo Nº 2: Asumir una onda sinusoidal con una Vp = 12.7 mm/s. ¿Qué

comportamiento tiene la aceleración al variar la frecuencia?

Usando la ecuación (6)

FRECUENCIA ACELERACION

F = 25 Hz A = 1 995 mm/ s2

F = 10 Hz A = 798 mm/ s2

F = 03 Hz A = 239 mm/ s2

Para estos valores, con una velocidad de partícula determinada, obtenemos

que para frecuencias altas las aceleraciones tienen también valores altos.

Page 15: Manual de Manejo Sismografos

El gráfico que se muestra a continuación es una onda característica de una

vibración producida por la voladura de rocas, la cual tiene adjunta un gráfico de

la transformada de Fourier el cual nos da un excelente método para analizar la

frecuencia contenida en una vibración.

La figura de la parte superior muestra las ondas de una vibración por voladura,

notándose claramente las ondas con alta y baja frecuencia. Observar que el

pico ocurre en la porción de ondas de alta frecuencia.

El gráfico de la parte inferior corresponde al Análisis de Fourier, en donde se

observa que los efectos de la frecuencia baja son los más dominantes.

Vibración por Voladura

Alta Frecuencia

Baja Frecuencia

Alta Frecuencia

Baja Frecuencia

Análisis de Fourier

Page 16: Manual de Manejo Sismografos

CRITERIOS DE DAÑOS

Page 17: Manual de Manejo Sismografos

5.- CRITERIOS DE DAÑOS:

5.1.- En Edificaciones: El análisis anterior, nos sirve para introducir los

criterios de daño, producidos por vibraciones debido a voladuras. La mayoría

usa el criterio de Velocidad Pico Partícula Crítica, pero actualmente se está

incorporando al proceso de cuantificar los posibles daños el concepto de la

frecuencia.

La mayoría de criterios sobre frecuencia se refiere a edificaciones y entre los

más importantes se tienen los siguientes:

5.1.1.- Vuolio and Jhonsson, Usbm y Din 4150:

Considera para construcciones sólidas una VPP crítica de 50 mm/s para

frecuencias superiores a 50 Hz. y que van decreciendo linealmente conforme

se producen menores frecuencias.

5.1.2.- Edward y Northwood:

Considera que la VPP crítica está relacionada a la Vp de la onda que se

produce en un determinado terreno en el cual se asienta la edificación. Es

decir, que en una edificación con un terreno que tiene por ejemplo de 2000 <

Vp < 3000 m/s, establece un valor de 35 mm/s como VPP crítica y de 75 mm/s

para terrenos con 4500 < Vp < 5000 m/s.

La velocidad y frecuencia en macizos rocosos influyen en la respuesta que la

estructura (edificación) tenga, así:

Probabilidad de daño VPP crítica Frecuencia

Mínimo 15 mm/s < 40 Hz.

Mayor 110 mm/s > 40 Hz.

5.2.- En Macizo Rocoso:

Son pocos los estudios que se tiene para analizar las vibraciones en un macizo

rocoso. Uno de ellos es la ecuación de Langerfors, la cual relaciona el daño a

construcciones, pero puede ser extendida como criterio en daños al macizo

rocoso y otros medios usando la siguiente relación:

Vp

VPPE crítica

Page 18: Manual de Manejo Sismografos

Con esta relación, y usando los últimos avances de geofísica establecen un

valor de E >0.1 mm/m como valor en el cual ocurre daño al macizo rocoso

(intacto), por lo tanto al conocer la Vp, podemos establecer un límite crítico de

VPP, que se asocia a un cierto nivel potencial de daño.

Con estos valores podemos establecer usando los modelos empíricos, por

ejemplo de Devine, la cantidad de kilos máximos de explosivos por retardo a fin

de no sobrepasar la VPP crítica.

5.3.- En Taludes:

Existe poca cuantificación para establecer los niveles de daño en los taludes.

En la bibliografía adecuada podemos encontrar valores limites, por ejemplo en

CANMET PIT SLOPE MANUAL, HOOK Y BRAY, HOLMBERG Y PERSSON,

BAUER Y CALDER y otros.

A continuación mencionaremos algunos de esos valores; y como se podrá,

notar ciertos valores umbrales son probablemente imposibles de alcanzar,

especialmente en tajos abiertos en donde se usan grandes diámetros de

perforación. El nivel de vibración para un taladro de 311 mm. de diámetro será

del orden de 1000 mm/s, a una distancia de aproximadamente 15 a 20m.

Entonces el control de cada banco será extremadamente difícil de alcanzar

excepto en masas rocosas muy competentes, así tenemos:

Autor: HOOK Y BRAY

FORMA DE DAÑO

VPP

(mm/s)

Quiebre de roca 2500

Inicio de quiebra 650

Caída de roca en galerías no revestidas 300

Daño menor, agrietamiento de yeso o estuco 130

Page 19: Manual de Manejo Sismografos

Autor: ORIAD

FORMA DE DAÑO

VPP

(mm/s)

Caída ocasional de roca suelta 05 , 10

Caída de secciones de roca parcialmente suelta 130 , 380

Daño de rocas poco competentes > 600

Daño significativo de rocas competentes > 2500

Autor: BAUER Y CALDER

EFECTO SOBRE EL MACIZO ROCOSO

VPP

(mm/s)

No hay peligro en roca sana < 250

Puede aparecer descostramiento en lajas por rotura de

tracción 250 , 650

Grandes roturas por tracción o algunas grietas radiales 650 , 2500

Agrietamiento total del macizo rocoso > 2500