n° 21 aplicación de nuevas tecnologías en construcción de cavernas - j. ríos, e. ríos & f....
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Aplicación de Nuevas Tecnologías en Construcción de Cavernas
José Ríos Vargas Gerencia Innovación, Tecnología & Marketing, Orica Mining Services
Eliseo Ríos Vergara
Gerencia Innovación, Tecnología & Marketing, Orica Mining Services
Felipe Guerrero Gerencia Innovación, Tecnología & Marketing, Orica Mining Services
RESUMEN En el proceso constructivo de una caverna subterránea, los desafíos en términos del aseguramiento de la calidad en términos de seguridad, procesos y tiempos, hacen imprescindibles buscar y aplicar técnicas que garanticen estos objetivos. Como primera etapa se debe conocer la interacción explosivo / roca en términos de la capacidad potencial de generar daño al macizo rocoso e instalaciones cercanas, definida esta condición que se traduce en recomendaciones de diseño (configuraciones de cargas explosivas y secuencia de iniciación). La incorporación de explosivo del tipo emulsión bombeable e iniciación electrónica en el proceso constructivo permitió realizar voladuras de mayor tamaño y flexibilidad, permitiendo realizar voladuras masivas soportadas por herramientas computacionales de simulación que permitieron evaluar diferentes alternativas de diseños. PALABRAS CLAVE: Modelamiento de Vibraciones, Voladuras, Emulsiones, Sistema Iniciación Electrónica. 1.- INTRODUCCIÓN La construcción de cavernas subterráneas en Chile cuenta con un historial de muchos años (subestaciones eléctricas, plantas de tratamiento de mineral, etc.), cuyo proceso constructivo siempre ha significado un gran desafío a la ingeniería. En el proceso constructivo de una caverna el conocimiento de las características geomecánicas del macizo rocoso a remover es fundamental pensando en la definición del sistema de soporte a utilizar. Por otro lado, la incorporación de explosivo en el proceso constructivo para la fragmentación de roca, tiene el potencial de afectar las características resistivas del macizo rocoso, esta característica del explosivo hace necesaria conocer la interacción explosivo / roca en términos del potencial de generar daño al macizo rocoso remanente o en instalaciones cercanas. En el proceso de búsqueda de nuevas tecnologías que permitan cumplir con los estándares de calidad y plazos de ejecución, desde la perspectiva de la tecnología en explosivos, la incorporación de emulsiones bombeables
(EB) y sistema de iniciación electrónica (SIE), permiten flexibilizar los conceptos de diseños tradicionales, partiendo con la posibilidad de variar la densidad de carga de explosivo con la aplicación de emulsión, desde 0.8 a 1.1 gr/cc, dependiendo de las características del macizo rocoso, hasta la posibilidad de secuenciar el las cargas explosivas desde 0 a 15000 ms con la introducción del SIE. Como mecanismo de evaluación de la interacción explosivo / roca fue necesario desarrollar una campaña de monitoreo de vibraciones en el sector a construir las cavernas. A partir de los datos obtenidos es posible construir modelos predictivos de vibraciones, a partir de los cuales se generan recomendaciones de diseño en términos de configuración de carga y secuenciamiento. La suma de todas estas técnicas permitió realizar voladuras de mayor tamaño a las originalmente planificadas que ayudan a acelerar el proceso constructivo. El diseño y análisis de los nuevas voladuras fueron soportados a través de herramientas computacionales que permitieron evaluar diferentes escenarios, eligiendo aquel con los menores niveles de vibración. 3.- CONCEPTUALIZACION TEORICA VIBRACIONES GENERADAS POR VOLADURA La liberación de energía en el proceso de voladura desarrolla una serie de ondas de esfuerzo que se desplazan a través del macizo rocoso. Las ondas internas que viajan por la roca van acompañadas de ondas superficiales que parten del mismo punto de la perturbación y que se van diferenciando en la medida que los frentes de onda se van alejando de la fuente, debido principalmente a las diferentes velocidades de propagación y los diferentes periodos de vibración. Durante su viaje las ondas mueven las partículas del medio que recorren produciendo sobre éstas velocidades, desplazamientos y aceleraciones los cuales pueden ser registrados con los diferentes tipos de instrumentos existente hoy en el mercado. Los registros de desplazamiento, velocidad y aceleración de partículas generados por las voladuras tienen tres características primordiales: la amplitud, el contenido frecuencial y la duración. La amplitud depende de la cantidad de material detonado y de la distancia al punto de registro, el contenido frecuencial depende de la fuente de perturbación y del camino recorrido y por último, la duración depende de la cantidad de material detonado y de la distancia entre la detonación y el punto de registro. Diversos investigadores han establecido una serie de variables independientes y otras dependientes dentro del proceso asociado con una voladura. Según Dowding (1985), dentro de las variables independientes se encuentran la energía liberada (W), la distancia a la explosión (R), la velocidad de onda en la roca (C), la densidad de la roca (ρ) y el tiempo (t). Por su parte, las variables dependientes se resumen en el desplazamiento máximo del medio (u), la velocidad máxima del medio (v), la aceleración máxima del medio (a) y la frecuencia del movimiento (ω). En base a esto, para realizar un estudio del efecto de las vibraciones sobre las construcciones se deben tener en cuenta las siguientes actividades: 1.- Definición de límites para evitar daño en sistemas estructurales de acuerdo con los referentes internacionales o a las normas de construcción aplicadas. 2.- Medición de los movimientos del terreno producidos por las voladuras en las proximidades de las estructuras. 3.- Construcción de modelos predictivos de niveles de vibración.
MARCO TEÓRICO Propagación ondulatoria Al producirse una voladura en el terreno, se generan ondas de diferentes características que se propagan en todas direcciones. Esta generación o liberación de esfuerzos en los medios elásticos induce propagación de ondas de esfuerzo de diferentes tipos. Se propagan ondas internas y ondas de superficie. De acuerdo Dowding (1985), las ondas internas se propagan por el interior de los cuerpos y las de superficie lo hacen preferencialmente en los contornos de los cuerpos aunque también se pueden propagar por las interfases o discontinuidades. Las ondas internas se dividen en compresionales llamadas ondas P y de cortante llamadas ondas S. Las ondas P se desplazan con mayor velocidad que las ondas S y tienen periodos más cortos; en cambio las ondas S suelen ser portadoras de mayor energía. Las ondas superficiales son de dos clases: ondas de Rayleigh, llamadas ondas R, y ondas de Love, llamadas ondas L. Estas ondas superficiales tienen velocidades similares a las de las ondas S. En la Figura 1, se pueden observar las características del movimiento ondulatorio de las ondas S, P y R (1) (2) (3) Figura 1: Variación del movimiento de partícula con el tipo de onda. 1) Onda de compresión P, 2) Onda de corte S, 3) Ondas de Rayleigh Las ondas R reciben la mayor parte de la energía y son las causantes del daño a las estructuras toda vez que viajan por la superficie de la corteza con movimientos de las partículas en un patrón elíptico. Para distancias pequeñas, los tres tipos de onda llegan casi simultáneamente y esto hace que las señales sean muy complicadas de interpretar (Valencia, Otálora, Rodríguez, 2007). 4.- DETERMINACIÓN VELOCIDAD PARTICULA CRÍTICA GRANODIORITA RIO
BLANCO
A partir de información propia del cliente (Nota Geotécnica N° DA-CG-2007-05 de A. Karzulovic & Asoc. Ltda.) se obtuvieron las siguientes propiedades geomecánicas la roca Granodiorita Rio Blanco(GdRB):
Tabla 4.1. Propiedades Geomecánicas Granodiorita Rio Blanco(GdRB)
Peso Unitario
(ton/m3)
RCU
(MPa)
Resistencia Tracción
(MPa)
Modelo Deformabilidad
(GPa)
Razón de
Poisson
2.65 150 15 58 0.26
Nota: (1) En virtud de que no se dispone en Nota técnica del valor de Resistencia a la tracción, se asume que ésta corresponde a un 10% de la Resistencia a la Compresión de la roca. La Vp, esta directamente relacionada con las características de la calidad del macizo rocoso y es función de los parámetros: módulo de Young, razón de Poisson y de la densidad de la roca. Por lo tanto, se puede afirmar que la velocidad compresional depende de: litología, fracturamiento, estructuras y contenido de humedad del macizo rocoso, y puede ser expresada en función de los parámetros anteriormente mencionados como:
( )( ) ( )υυρ
υ
+−
−=
1*21*
1*EVp
Donde:
Vp : Velocidad de la onda P (m/s)
E : Módulo de Young (Pa)
ρ : Densidad e la roca (TM/m3)
υ : Razón de Poisson
A partir de Tabla y ecuación (1) se puede obtener indirectamente el valor de la Velocidad de propagación de la onda p Los altos niveles de vibración producidos por voladuras puede generar daño al macizo rocoso, produciendo fracturas nuevas o extendiendo y dilatando fracturas existentes. La vibración en este contexto, puede ser considerada como un esfuerzo o deformación. Con bajos niveles de vibración, tales como los presentes a grandes distancias desde las voladuras, los niveles de deformación son muy pequeños para inducir nuevo fracturamiento. A menores distancias, las vibraciones son suficientemente altas para extender las fracturas preexistentes, pero insuficientes para inducir nuevo fracturamiento. Muy cerca de las cargas explosivas, sin embargo, los niveles de vibración son lo suficientemente altos como para producir diferentes grados de fracturamiento a su alrededor. La velocidad vibracional de las partículas, frecuentemente es relacionada con su habilidad para inducir nuevo fracturamiento, a través de la relación entre velocidad de partícula y deformación de partícula, esto es válido para una condición de roca confinada en la vecindad inmediata a las cargas explosivas, en donde el impacto de la voladura es más intenso y los niveles de esfuerzos inducidos son similares a los esfuerzos necesarios para la fragmentación de la roca. Dada ésta relación con la deformación, es que el análisis de velocidad de partícula tiene la cualidad de ser un buen método para estimar el grado de fracturamiento inducido por la voladura.
Ecuación (4.1)
smVp /5175=
De acuerdo a lo indicado: La ecuación señalada presenta la relación entre la Velocidad de Partícula PPV y la deformación inducida ε, para una roca con Velocidad de la Onda de Compresión Vp. Ésta ecuación supone una elasticidad lineal del material a través de la cual la vibración está propagándose, y hace una estimación razonable para la relación entre el hormigón fracturado y la vibración inducida. De la Ley de Hooke y asumiendo un comportamiento elástico, la Velocidad de Partícula Máxima, PPVmáx, que puede ser soportada por el hormigón antes de que ocurra la falla por tensión, es estimada conociendo la Resistencia a la Tracción (σt), el Modulo de Young Dinámico E, y la Velocidad de propagación de la Onda P, Vp, usando la ecuación: En función de los antecedentes coleccionados durante el desarrollo del estudio, se empleó esta ecuación para estimar en primera aproximación la Velocidad de Partícula Máxima o Crítica para la Granodiorita Rio Blanco. En la tabla 5.2, se resumen los datos utilizados para el cálculo de la Velocidad de Partícula Crítica.
PARÁMETROS GRANODIORITA RIO BLANCO
Resistencia a la Tracción (MPa) 15 Módulo de Young (GPa) 58 Velocidad de Onda-P, Vp (m/s) 5.175
Tabla 4.2. Parámetros geomecánicos Granodiorita Rio Blanco En la tabla 4.3, se presentan los resultados del cálculo del PPVc (Velocidad de Partícula Peak Crítico), definido como el nivel sobre el cual se generará un daño incipiente, y una estimación del nivel en que se produce un daño más intenso, para lo cual se emplea frecuentemente un valor aproximado a 4 veces el nivel para el inicio del daño (4 * PPVc).
RANGOS DE VIBRACIÓN VIBRACION CRÍTICA (mm/s) TIPO DE DAÑO
Mayor que 4*PPVc 5,352 Intenso Fracturamiento
Mayor que 1*PPVc 1,338 Creación de nuevas Fracturas
Mayor que ¼*PPVc 334 Extensión de Fracturas
Preexistente
Tabla 4.3.- Rangos de Velocidad de Partícula Crítica y Tipo de Daño.
PV
PPV=ε Ecuación (4.2)
E
pVtPPV×
=σ
maxEcuación (4.3)
5.- MODELAMIENTO VIBRACIONES SECTOR CONSTRUCCION CAVERNAS El análisis de los registros de vibraciones, permiten conocer la velocidad de partícula que genera cada carga o grupos de cargas en la voladura. Fue así como se obtuvieron datos de velocidad de partícula, distancia y carga por tiro en cada una de las voladuras, a la que se ajustó posteriormente la ecuación del modelo propuesto por el modelo de Devine (1960) (Lopez Carlos, 1987). Una vez determinada la ecuación de comportamiento de la vibración para este sector, fue ajustada a objeto de establecer un modelo más representativo y confiable. La corrección en cuestión consistió en desplazar paralelamente el modelo obtenido, de modo que cubriera un número mayor de puntos recogidos en terreno. Este modelo es el denominado en tablas y gráficas como el “Modelo Ajustado”. Este proceso de ajuste no significa cambiar los valores de los datos recogidos en terreno, sino darles una interpretación estadística más conservadora y por lo tanto, más segura. El modelo propiamente tal, que se genera vía el ajuste estadístico describe la condición media de la población de datos, es decir, el 50% de los datos se ubicarán por debajo de la curva que representa el modelo y los 50% restantes se encontrarán sobre la curva (Ecuación 5.1). Matemáticamente esto está correcto, sin embargo significa que existe una probabilidad de 50% que una carga explosiva producirá un nivel de vibración que supera a lo predicho por el modelo, situación que deja inútil el modelo para propósitos prácticos, particularmente para diseños orientados a controlar la vibración máxima, la cual provoca el daño. La solución se encuentra en desplazar el modelo hasta que sus predicciones cubran una mayor cantidad de datos de terreno, en rangos que oscilan entre un 80% y 95%, haciendo más confiable y segura la estimación de vibraciones. Para este caso se empleó un 90% (Ecuación 5.2) En las Figuras 5.1 presenta los niveles vibraciones registrados en las voladuras analizadas, así como el ajuste realizado según el modelo postulado por Devine.
Modelo Campo Lejano
0.1
1.0
10.0
100.0
1000.0
0.1 1.0 10.0 100.0
Distancia Escalada (m/kg^1/2)
PP
V (
mm
/s)
Datos Promedio 90 % Conf.
Figura 5.3: Gráfico datos de vibraciones en escala normal
Modelo Original : (Con un 50% de Confianza) Modelo Ajustado : (Con un 90% de Confianza) 6.- Ábacos de Diseño En función de los modelos de vibración ajustados, y valores promedios de niveles de vibraciones y kilos de explosivo, se confeccionaron ábacos de diseño, de los cuales, se pueden obtener directamente los valores del peso del explosivo por retardo en función de la distancia. Se incluye además, gráficos para algunos valores de cargas habituales como función de la distancia se obtiene la velocidad de partícula estimada. Estos ábacos se muestran en las Figuras 6.1 y 6.3 La Figura 6.1, representa un ábaco parametrizado en términos de carga explosiva. Su uso permite estimar probables niveles de vibración provocadas a una distancia determinada como resultado de una carga instantánea con cantidad conocida de explosivo. Es decir, una predicción aproximada de la vibración. En esta figura se pueden apreciar los limites de vibración para sala eléctrica (22 mm/s) y sala transferencia (40 mm/s), ambas cruzan las curvas correspondientes a las diferentes cargas explosivas. Por otro lado, la Figura 6.3, muestra el nivel de vibración de 334 mm/s que corresponde a la categoría de ¼ PPVC, nivel de vibración que en teoría puede extender las fracturas existentes. La tabla 6.2 indica los valores de vibración en función de la distancia y cantidad de carga. La Figura 6.4, en cambio, implica conocimiento del macizo rocoso en que se desarrolla el modelo de vibración y/o las características de las estructuras a proteger. Conocimiento referido específicamente a su comportamiento como macizo rocoso o estructura a su probabilidad de ser dañado bajo la influencia de vibración. El ábaco guía al usuario en cuanto de la cantidad de kilos de explosivo que se puede detonar en forma instantánea sin que se exceda el nivel de vibración de partícula representado por la curva en cada caso. Se supone, que uno o más de estos niveles estarán ligado con el comienzo del fenómeno de daño, valor que por ahora es estimado a partir de consideraciones teóricas, pero que deberá ser definido como consecuencia directa de un estudio más específico y dedicado hacia ese objetivo. La tabla 6.5, indican los valores de kilos de explosivos (para diferentes distancia) para no superar los niveles de vibraciones indicados. Para que ésta aplicación de los modelos sea factible, es necesario poder predecir con confianza los límites de vibración aceptable para que no se desarrolle daño en el macizo rocoso.
10.1
*120
−
=
W
dV
10.1
*262
−
=
W
dV
Ecuación 5.1
Ecuación 5.2
Figura 6.1: Ábaco de diseño parametrizado por carga explosiva.
Tabla 6.2: Valores de niveles de vibraciones, en función de distancia y carga explosiva 1 m Carga Tronex (kg) 2 m Carga Tronex (kg) 3 m Carga Tronex (kg) 4 m Carga Tronex (kg)
0.77 1.53 2.30 3.065 38.5 56.4 70.4 82.5
15 11.5 16.8 21.0 24.625 6.6 9.6 12.0 14.135 4.5 6.6 8.3 9.745 3.4 5.0 6.3 7.455 2.8 4.0 5.0 5.965 2.3 3.4 4.2 4.975 2.0 2.9 3.6 4.285 1.7 2.5 3.1 3.795 1.5 2.2 2.8 3.2
105 1.4 2.0 2.5 2.9115 1.2 1.8 2.2 2.6125 1.1 1.6 2.0 2.4135 1.0 1.5 1.9 2.2145 0.9 1.4 1.7 2.0155 0.9 1.3 1.6 1.9165 0.8 1.2 1.5 1.8
Metros
Abaco Diseño Vibración V/S Distancia
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 50 100 150 200 250 300 350
Distancia (m)
Vib
raci
ón
(m
m/s
)
0.76 kg 1.5 kg 2.3 kg 3.1 kg 22 mm/s 40 mm/s
Figura 6.3: Ábaco de diseño parametrizado por carga explosiva.
Figura 6.4: Ábaco de diseño parametrizado por nivel de vibración
Tabla 6.5: Valores de cantidad de explosivos máximos para no superar niveles de vibración a
distancia definidas
Abaco Diseño Vibración V/S Distancia
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200 250 300 350
Distancia (m)
Vib
raci
ón
(m
m/s
)
0.77 kg 1.53 kg 2.3 kg 3.06 kg 22 mm/s 40 mm/s 334 mm/s
Abaco Diseño Cantidad Explosivo V/S Distancia
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Distancia (m)
Ex
plo
siv
o (
kg)
10 mm/s 22 mm/s 40 mm/s
10 22 405 0.1 0.3 0.8
15 0.6 2.5 7.425 1.6 6.9 20.535 3.2 13.6 40.245 5.3 22.4 66.455 8.0 33.5 99.265 11.1 46.7 138.675 14.8 62.2 184.585 19.1 79.9 237.095 23.8 99.8 296.1105 29.1 122.0 361.7115 34.9 146.3 433.8125 41.2 172.9 512.6135 48.1 201.6 597.9145 55.5 232.6 689.7155 63.4 265.8 788.1165 71.8 301.2 893.1
Vibración (mm/s)Metros
7.- MODELO DE VIBRACIÓN CAMPO CERCANO
Es posible encontrar mucha literatura relaciona a la predicción de daño, denominado modelos de daño, los cuales fueron desarrollados Suecia. El más utilizado es el modelo desarrollado por Holmberg & Persson (1979), el cual relaciona velocidad de partícula generado por una determinada carga explosiva. El modelo asume que en la región cercaba a la carga, el daño permanente ocurre cuando el daño inducido alcanza un nivel crítico de tensión. El modelo propuesto por Holmberg & Persson para la predicción de la velocidad de partícula en el campo cercano y su relación para ala predicción para el daño inducido por tronadura. Las suposiciones del modelo son (Holmberg, Persson & Lee, 1993): La ecuación general para el punto P, esta dado por: Por β = 2α, la ecuación anterior puede ser integrada, quedando:
Ecuación 7.1
Ecuación 7.2
7.1.- CONSTRUCCION MODELO CAMPO CERCANO Usando los mismos datos obtenidos del monitoreo realizado en la chimenea de la caverna de chancado, producidos por cargas en el campo cercano, fue posible realizar el modelo Holmberg y Persson. La Figura 7.1.1, muestra el ajuste que resulta de este análisis. De igual modo del caso de la calibración de Devine, conviene modificar el modelo conseguido para producir el Modelo Ajustado, lo que pretende cubrir por lo menos, en este caso, 80% de los datos de terreno. La Ecuación 7.1.2 indica el ajuste para el 50% de confianza y la Ecuación 7.1.3 el ajuste para obtener un 80% de confianza. Modelo Original : (Con un 50% de Confianza) Modelo Ajustado : (Con un 80% de Confianza)
10.0
100.0
1000.0
0.1 1.0 10.0
Distancia Escalada (Factor H-P)
PP
V (
mm
/s)
Datos Promedio 80 % Conf.
MODELO CAMPO CERCANO CAVERNA CHANCADO PDA FASE I
Despliegue Lineas de Tendencia Lineas de Comparación
[ ] 591.0*187 FHV =
[ ] 591.0*290 FHV =
Figura 7.1.1: Datos modelo Campo Lejano y ajuste de datos
Ecuación 7.1.2
Ecuación 7.1.3
7.2 APLICACIÓN MODELO HOLMBERG & PERSSON: CONTORNOS DE VIBRACION Usando la ecuación de Holmberg & Persson, es posible calcular y dibujar los contornos de vibración alrededor de la carga explosiva, incluso cuando en ésta se combinen más de un tipo de explosivo (ej. una carga de fondo con explosivo de mayor densidad y una carga de columna de ANFO). El software 2DBench utilizada la ecuación señalada en su algoritmo de cálculo para generar una simulación de isovibración, cuyos valores se pueden ser definidos para analizar potencialidades de creación de nuevo daño al macizo rocoso (halos de fracturamiento). Luego es posible ocupar el modelo calibrado para estudiar, tanto la situación actual con respecto de carga explosiva y vibraciones producidas, como experimentar con una variedad de alternativas que pueden servir como manera de reducir efectos dañinos de la voladura en el campo cercano. La teoría dice que al alcanzar el nivel de un PPVc, se inicia la formación de fracturas nuevas y por lo tanto el comienzo del daño, sin embargo a niveles mucho más bajos, aproximadamente la cuarta parte de este límite, se manifiesta el fenómeno de extensión de fracturas pre-existentes y comienzo de daño o alteración al macizo rocoso. Finalmente como el área de intenso fracturamiento y mayor daño, se especifica un límite de cuatro veces el PPVc. Ocupando 2DBench entonces, se analizó como caso relevante los contornos de vibración generados para los diferentes tipos de explosivos en la construcción calculando así los radios de influencia de una carga explosiva para alcanzar respectivamente, la extensión de fracturas preexistentes, la creación de nuevas fracturas y finalmente la zona de fracturamiento intenso. La Figura 7.2.1, muestra un resultado típico del software 2DBench, en que se puede apreciar la distribución de niveles de vibración para una carga de ANFO en 2 ½”. La zona de creación de nuevo fracturamiento alcanza una longitud de 2.7 metros, los valores de la Tabla 7.2.2 muestran los valores de la simulación realizada al modelo para diferentes distancias, estos valores conversan con lo obtenido en la simulación del software en términos de la extensión de los potenciales niveles generadores de daño. La Figura 7.2.3 muestra el resultado de distribución de niveles de vibración obtenido para una configuración de carga desacoplado (11/16” x 20”). El atributo de este producto en términos de su menor diámetro, condición que lo hace actuar como un explosivo amortiguador, bajo este prisma, en nivel de vibración inducido al macizo rocoso también se ve disminuida. El análisis efectuado indica que la longitud de creación de nuevo fracturamineto alcanza los 10 cm. Los valores de la Tabla 7.2.4 muestran los valores de la simulación realizada al modelo para diferentes distancias, estos valores conversan con lo obtenido en la simulación del software en términos de la extensión de los potenciales niveles generadores de daño.
En términos de recomendaciones de diseño, se puede indicar que para el caso del banqueo, que se pretende realizar en 2 ½”, la distancia entre la línea de diseño de la caverna y la línea de perforación más próxima debe ser del orden de los 2.5 metros, esta distancia garantiza que el nivel de daño inducido al macizo estará en el nivel de extensión de fracturamiento existente.
0.5 m 2.7 m
X0 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.00.1 988 932 797 683 595 526 472 427 390 358 331 307 287 268 252 237 224 212 201 191 182 173 166 158 152 1460.2 1245 1121 895 740 632 553 491 442 402 368 339 314 292 273 256 240 227 214 203 193 183 175 167 160 153 1470.3 1725 1390 1004 799 670 579 511 457 413 377 347 320 297 277 260 244 230 217 205 195 185 176 168 161 154 1480.4 2627 1724 1118 859 707 605 530 472 425 386 354 327 303 282 264 247 233 219 208 197 187 178 170 162 155 1490.5 3350 2018 1225 916 743 630 548 486 436 395 362 333 308 286 267 250 235 222 210 199 189 179 171 163 156 1490.6 3615 2206 1314 968 777 654 566 499 447 404 369 339 313 290 271 253 238 224 212 200 190 181 172 164 157 1500.7 3728 2315 1384 1013 808 676 582 512 457 412 375 344 318 294 274 256 240 226 213 202 192 182 173 165 158 1510.8 3787 2381 1438 1050 835 696 598 524 467 420 382 350 322 298 277 259 243 228 215 204 193 183 174 166 159 1520.9 3824 2424 1478 1082 859 714 612 536 476 428 388 355 326 302 280 262 245 230 217 205 194 184 175 167 160 1531.0 3848 2454 1508 1107 879 731 625 546 484 434 394 359 330 305 283 264 247 232 219 206 195 185 176 168 160 1531.1 3865 2476 1532 1128 897 745 636 555 492 441 399 364 334 308 286 266 249 234 220 208 197 186 177 169 161 1541.2 3877 2492 1550 1146 912 757 647 564 499 446 404 368 337 311 288 268 251 235 221 209 198 187 178 169 162 1551.3 3886 2504 1564 1159 924 768 656 571 505 452 408 371 340 314 290 270 252 237 223 210 198 188 179 170 162 1551.4 3893 2513 1575 1171 934 777 663 577 510 456 412 374 343 316 292 272 254 238 224 211 199 189 179 171 163 1551.5 3899 2520 1584 1180 943 784 670 583 515 460 415 377 345 318 294 273 255 239 225 212 200 189 180 171 163 1561.6 3903 2526 1591 1187 950 790 675 588 519 463 418 380 347 320 296 275 256 240 225 212 201 190 180 172 164 1561.7 3906 2530 1596 1192 955 795 679 591 522 466 420 381 349 321 297 276 257 241 226 213 201 190 181 172 164 1561.8 3909 2533 1600 1197 959 799 683 594 524 468 422 383 350 322 298 276 258 241 227 213 202 191 181 172 164 1571.9 3910 2536 1603 1199 962 802 685 596 526 470 423 384 351 323 298 277 258 242 227 214 202 191 181 172 164 1572.0 3911 2537 1605 1201 964 803 686 597 527 471 424 385 352 323 299 277 259 242 227 214 202 191 181 173 164 1572.1 3912 2537 1605 1202 964 804 687 598 528 471 424 385 352 323 299 277 259 242 227 214 202 191 181 173 164 1572.2 3911 2537 1605 1201 964 803 686 597 527 471 424 385 352 323 299 277 259 242 227 214 202 191 181 173 164 1572.3 3910 2536 1603 1199 962 802 685 596 526 470 423 384 351 323 298 277 258 242 227 214 202 191 181 172 164 1572.4 3909 2533 1600 1197 959 799 683 594 524 468 422 383 350 322 298 276 258 241 227 213 202 191 181 172 164 1572.5 3906 2530 1596 1192 955 795 679 591 522 466 420 381 349 321 297 276 257 241 226 213 201 190 181 172 164 1562.6 3903 2526 1591 1187 950 790 675 588 519 463 418 380 347 320 296 275 256 240 225 212 201 190 180 172 164 1562.7 3899 2520 1584 1180 943 784 670 583 515 460 415 377 345 318 294 273 255 239 225 212 200 189 180 171 163 1562.8 3893 2513 1575 1171 934 777 663 577 510 456 412 374 343 316 292 272 254 238 224 211 199 189 179 171 163 1552.9 3886 2504 1564 1159 924 768 656 571 505 452 408 371 340 314 290 270 252 237 223 210 198 188 179 170 162 1553.0 3877 2492 1550 1146 912 757 647 564 499 446 404 368 337 311 288 268 251 235 221 209 198 187 178 169 162 1553.1 3865 2476 1532 1128 897 745 636 555 492 441 399 364 334 308 286 266 249 234 220 208 197 186 177 169 161 1543.2 3848 2454 1508 1107 879 731 625 546 484 434 394 359 330 305 283 264 247 232 219 206 195 185 176 168 160 1533.3 3824 2424 1478 1082 859 714 612 536 476 428 388 355 326 302 280 262 245 230 217 205 194 184 175 167 160 1533.4 3787 2381 1438 1050 835 696 598 524 467 420 382 350 322 298 277 259 243 228 215 204 193 183 174 166 159 1523.5 3728 2315 1384 1013 808 676 582 512 457 412 375 344 318 294 274 256 240 226 213 202 192 182 173 165 158 1513.6 3615 2206 1314 968 777 654 566 499 447 404 369 339 313 290 271 253 238 224 212 200 190 181 172 164 157 1503.7 3350 2018 1225 916 743 630 548 486 436 395 362 333 308 286 267 250 235 222 210 199 189 179 171 163 156 1493.8 2627 1724 1118 859 707 605 530 472 425 386 354 327 303 282 264 247 233 219 208 197 187 178 170 162 155 149
R0
> 1338 (mm/s)
1338 – 334 (mm/s)
< 334 mm/s
Figura 7.2.1: Distribución niveles de vibración ANFO en 2 ½”
Tabla 7.2.2: Valores simulación de modelo vibración campo cercano para diferentes
distancias, caso ANFO 2 ½”
0.5 m 2.7 m
X0 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.00.1 105 99 84 72 63 56 50 45 41 38 35 33 30 28 27 25 24 22 21 20 19 18 18 17 16 150.2 132 119 95 78 67 59 52 47 43 39 36 33 31 29 27 25 24 23 22 20 19 19 18 17 16 160.3 183 147 106 85 71 61 54 48 44 40 37 34 32 29 28 26 24 23 22 21 20 19 18 17 16 160.4 278 183 119 91 75 64 56 50 45 41 38 35 32 30 28 26 25 23 22 21 20 19 18 17 16 160.5 355 214 130 97 79 67 58 51 46 42 38 35 33 30 28 27 25 24 22 21 20 19 18 17 17 160.6 383 234 139 103 82 69 60 53 47 43 39 36 33 31 29 27 25 24 22 21 20 19 18 17 17 160.7 395 245 147 107 86 72 62 54 48 44 40 36 34 31 29 27 25 24 23 21 20 19 18 18 17 160.8 401 252 152 111 89 74 63 56 49 45 40 37 34 32 29 27 26 24 23 22 20 19 18 18 17 160.9 405 257 157 115 91 76 65 57 50 45 41 38 35 32 30 28 26 24 23 22 21 20 19 18 17 161.0 408 260 160 117 93 77 66 58 51 46 42 38 35 32 30 28 26 25 23 22 21 20 19 18 17 161.1 410 262 162 120 95 79 67 59 52 47 42 39 35 33 30 28 26 25 23 22 21 20 19 18 17 161.2 411 264 164 121 97 80 69 60 53 47 43 39 36 33 31 28 27 25 23 22 21 20 19 18 17 161.3 412 265 166 123 98 81 69 61 54 48 43 39 36 33 31 29 27 25 24 22 21 20 19 18 17 161.4 413 266 167 124 99 82 70 61 54 48 44 40 36 33 31 29 27 25 24 22 21 20 19 18 17 161.5 413 267 168 125 100 83 71 62 55 49 44 40 37 34 31 29 27 25 24 22 21 20 19 18 17 171.6 414 268 169 126 101 84 72 62 55 49 44 40 37 34 31 29 27 25 24 23 21 20 19 18 17 171.7 414 268 169 126 101 84 72 63 55 49 45 40 37 34 31 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 171.8 414 269 170 127 102 85 72 63 56 50 45 41 37 34 32 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 171.9 415 269 170 127 102 85 73 63 56 50 45 41 37 34 32 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 172.0 415 269 170 127 102 85 73 63 56 50 45 41 37 34 32 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 172.1 415 269 170 127 102 85 73 63 56 50 45 41 37 34 32 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 172.2 415 269 170 127 102 85 73 63 56 50 45 41 37 34 32 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 172.3 415 269 170 127 102 85 73 63 56 50 45 41 37 34 32 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 172.4 414 269 170 127 102 85 72 63 56 50 45 41 37 34 32 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 172.5 414 268 169 126 101 84 72 63 55 49 45 40 37 34 31 29 27 26 24 23 21 20 19 18 17 172.6 414 268 169 126 101 84 72 62 55 49 44 40 37 34 31 29 27 25 24 23 21 20 19 18 17 172.7 413 267 168 125 100 83 71 62 55 49 44 40 37 34 31 29 27 25 24 22 21 20 19 18 17 172.8 413 266 167 124 99 82 70 61 54 48 44 40 36 33 31 29 27 25 24 22 21 20 19 18 17 162.9 412 265 166 123 98 81 69 61 54 48 43 39 36 33 31 29 27 25 24 22 21 20 19 18 17 163.0 411 264 164 121 97 80 69 60 53 47 43 39 36 33 31 28 27 25 23 22 21 20 19 18 17 163.1 410 262 162 120 95 79 67 59 52 47 42 39 35 33 30 28 26 25 23 22 21 20 19 18 17 163.2 408 260 160 117 93 77 66 58 51 46 42 38 35 32 30 28 26 25 23 22 21 20 19 18 17 163.3 405 257 157 115 91 76 65 57 50 45 41 38 35 32 30 28 26 24 23 22 21 20 19 18 17 163.4 401 252 152 111 89 74 63 56 49 45 40 37 34 32 29 27 26 24 23 22 20 19 18 18 17 163.5 395 245 147 107 86 72 62 54 48 44 40 36 34 31 29 27 25 24 23 21 20 19 18 18 17 163.6 383 234 139 103 82 69 60 53 47 43 39 36 33 31 29 27 25 24 22 21 20 19 18 17 17 163.7 355 214 130 97 79 67 58 51 46 42 38 35 33 30 28 27 25 24 22 21 20 19 18 17 17 163.8 278 183 119 91 75 64 56 50 45 41 38 35 32 30 28 26 25 23 22 21 20 19 18 17 16 16
R0
0.3 m
> 334 (mm/s)
334 – 167 (mm/s)
< 167 mm/s
0.1 m
Figura 7.2.3: Distribución niveles de vibración explosivo desacoplado (11/16” x 20”)
Tabla 7.2.4: Valores simulación de modelo vibración campo cercano para diferentes distancias
0.3 m
0.1 m
8.- APLICACIÓN EN DISEÑO VOLADURA MASIVA A partir de los modelos obtenidos y las restricciones conocidas en términis de restricciones en los niveles de vibraciones para las estructuras comprometidas, se realizó el diseño para la primera voladura masiva a realizar en la caverna de Molienda (Figura 8.1). El proceso constructivo de esta caverna considera la utilización de emulsión bombeable y sistema de iniciación electrónica. La introducción de emulsión bombeable al proceso de construcción estuvo basada fundamentalmente por los siguientes ventajas: 1.- Muy baja generación de gases Nitrosos (Figura 8.2) 2.- Menor nivel de generación de Monóxido de Carbono (Figura 8.3) 3.- 100% resistencia al agua 4.- Puede se trabajada con una densidad de cara entre 0.8 y 1.1 g/cc
Concentración de NO2
0
1
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5
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Tiempo [min]
Co
nce
ntr
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n e
n p
pm
ANFO
ANFO
ANFO
SUBTEK CHARGE
LIMITE PERMISIBLE
Concentración de CO
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60
80
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120
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160
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200
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo [min]
Co
ncn
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ció
n p
pm
ANFO
ANFO
SUBTEK CHARGE
SUBTEK CHARGE
LIMITE PERMISIBLE
Figura 8.2: Caverna Molienda
Figura 8.2: Gases Nitrosos Figura 8.3: Monóxido de Carbono
Para efectos de análisis del diseño implementar, en términos de los potenciales niveles de vibración a generar y en nivel de daño que estos pudieran causar, se utilizó un software de diseño de voladuras que cuenta con un modulo de simulación basado en el método de simulación de MonteCarlo, la simulación de MonteCarlo es una técnica que combina conceptos estadísticos (muestreo aleatorio) con la capacidad que tienen los computadores para generar números pseudo-aleatorios y automatizar cálculos. Para el desarrollo del análisis, las variables de entrada requeridas son: 1.-Onda Elemental 2.- Modelo Predictivo de Vibraciones 3.- Velocidad de Propagación (Vp) 4.- Diseño de Voladura A partir de estas variables de entrada, la simulación entrega como resultado: 1.- Distribución de niveles de vibración (basado en la probabilidad de ocurrencia) (Figura 8.4) 2.- Onda Resultante. (Figura 8.5) 3.- Distribución de Frecuencia (Figura 8.6) 4.- Contornos de isovibración (Figura 8.7)
VPPV Histogram at Monitor ID - CulvertMean = 108.6 mm/s (Std. Dev. 14.5 mm/s)
vppv (mm/s)180160140120100806040
Num
ber
of O
ccur
ance
s
28
26
2422
20
18
1614
1210
8
64
2
0
1st Predicted Blast Waveform
Time (seconds)4321
part
icle
vel
ocity
(m
m/s
)
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
Mean spectrum amplitudes
Frequency (Hz)50484644424038363432302826242220181614121086420
Am
plitu
de
0.16
0.150.14
0.130.12
0.110.1
0.090.08
0.070.06
0.050.04
0.030.02
0.01
Figura 8.4 Figura 8.5
Figura 8.6
Figura 8.7
Antecedentes de Carguío:
Total de tiros 1015 Diámetro Peforación 51 mm Largo promedio perforación 4.2 metros Diseño teórico 1 m x 1 m Densidad de Carga 1.08 – 1.15 g/cc Total Emulsión 9375 kg Sistema Iniciación Electrónico Total Detonadores 1015 unidades
La Figura 8.9, muestra el diseño levantado topográficamente una vez concluida la perforación. Es posible visualizar que la calidad de perforación, en términos de posicionamiento, no es de lo mejor, es posible encontrar sectores con un alta concentración de perforación en desmedro de otras, obviamente esta condición desfavorece una adecuada distribución energía explosiva en el macizo rocoso. 8.1.- Simulación de Vibraciones:
A partir del diseño de perforación real implementado, se realizó la simulación de los niveles de vibraciones aplicando el software de modelamiento obteniendo las curvas de isovibración que se muestra en la Figura 8.10. El aspecto relevante es el contorno generado por los 40 mm/s, valor asignado como límite superior para el sector de Sala de Transferencia. Del análisis realizado, el nivel de 40 mm/s tiene un alcance de 20 metros de la pared final de la Caverna de Molienda.
Figura 8.9: Levantamiento perforación real banqueo Caverna Molienda
8.2.- Resultados: Para validar las simulaciones realizadas de vibraciones se instalaron los siguientes Geofonos (Figura 8.11):
• G1: Ubicado en sector de ventiladores. • G2: Ubicado en sala eléctrica SAG.
Figura 8.11: Ubicación Geófonos.
Figura 8.9: Levantamiento perforación real banqueo Caverna Molienda
8.2.1 Resultado Geófono 1 (G1) Sector Ventiladores 8.2.1.1 - Vibración Simulada a partir de modelo: Peak Máximo 15.6 mm/s. 8.2.1.2 – Registro obtenido de Voladura: Máximo 12.3 mm/s 8.2.2.- Resultado Geófono 2 (G2) Sector Sala de Eléctrica SAG. 8.2.2.1.- Vibración Simulada a partir de modelo: Peak Máximo 7 mm/s.
8.2.2.2.- Registro obtenido de Voladura: Máximo 5.6 mm/s. 9.- CONCLUSIONES
• En un proceso de construcción subterráneo tan complejo como una caverna, el conocer las propiedades geológicas / geotécnicas y la manera en que estas pueden ser afectadas durante el proceso producto de las constates voladuras, permitirá a los Ingenieros de Diseño y de Perforación y Voladura tomar acciones orientadas a mitigar o disminuir los potenciales efectos negativos (redefinición de sistema de fortificación, variación en diseños de perforación, etc.)
• La aplicación de técnicas de modelamiento de vibraciones permitirá, asociado con
el conocimiento sobre niveles máximos permisibles en estructuras (subestaciones eléctricas, buzones de traspaso, etc.) y macizo rocoso para no generar daño, constituyen una poderosa herramienta de diseño y gestión de control durante el proceso de construcción.
• Contar con herramientas de simulación que permitan relacionar diferentes
variables como tipo de explosivo, secuencia de iniciación, diseño, onda elemental (propia del medio y tipo de explosivo utilizado), modelo de propagación de vibraciones (propio del sector en estudio), velocidad de propagación de onda P, es una ventaja en términos de la posibilidad de analizar el impacto en forma rápida de las diferentes variables. Permitiendo mantener variables fijas, por ejemplo diagramas, tipo de explosivo y modificar secuencia de iniciación.
• La introducción de nuevas tecnologías en explosivos, como el caso de emulsión
bombeable, aportan significativamente a mejorar la velocidad de construcción de este tipo de obras, fundamentalmente por sus ventajas en generación de gases (mejora en ciclos de ventilación), eficiencia de trabajo (permitiendo ahorros en perforación, por ende mejorando sus ciclos), mayor velocidad de detonación, posibilidad de variar densidad de carga entregando la energía apropiada de acuerdo al tipo de roca, 100% resistencia al agua.
• La aplicación del sistema de iniciación electrónica facilita la tarea del diseño de
secuenciamiento, producto de la flexibilidad que presenta el sistema en términos de la selección del tiempo. Hoy el desafío se traduce en saber que tiempo es el más adecuado a utilizar para un cierto diseño en vez de que tiempos tengo disponible para utilizar como es el caso en los detonadores no eléctricos.
REFERENCIAS
Holmberg, Persson & Lee, “Rock Blasting and Explosives Engineering”, 1993. Blast Vibration Monotiring and Control, Dowding, C. (1985) ORICA Mining Services, “Antecedentes en Vibraciones”, OMS. Apuntes Generales, “Normas y Criterios Internacionales, relacionados al daño de estructuras por vibraciones” Software 2dBench, Manuel de usuario Lopez, Carlos, “Manual de Perforación y Voladuras de Rocas”, 1987 Karsulovic & Asoc.Ltda., Nota Geotécnica N° DA-CG-2007-05 Daniel Ruiz Valencia , Camilo Otálora Sánchez , Jorge A. Rodríguez Ordóñez, 2007, Efecto de las Vibraciones Generadas por Voladuras en Minas Sobre Edificaciones Residenciales de Mampostería Simple en Colombia.