planeamiento de perforaciÓn y voladura en minerÍa …
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PLANEAMIENTO DE PERFORACIÓN Y
VOLADURA EN MINERÍA SUBTERRÁNEAUNIDAD II: Diseño de mallas, cortes y voladura controlada
CURSO: Expositor:
Ph. D. Carlos Agreda Turriate - Perú
Consultor de la Cámara Minera del Perú
Experiencia:
Ha trabajado en compañías mineras nacionales, como Cerro de Pasco Copper Corporation,Marcona Mining Company, Minero Perú, Famesa, Centro Min-Perú, Volcan, Adinelsa, CompañíaMinera Arirahua SA, Land Nacional and Internacional Transportation SRL, IARSD. En Chile, halaborado en las fábricas de explosivos Enaex, Ireco, y Cardoen; en las minas Chuquicamata, ElTeniente, Romeral y Mantos Blancos. En México, en la fábrica de explosivos Dupont Explosives;y en las minas Fresnillo y Sonora. En Canadá, en las fábricas de explosivos CIL, Dupont(Montreal), Deninson Mines, Sherrit Gordon Mines, Montreal Engineering Company, ManaltaCoal Limited. En Colombia, laboró en el estudio de factibilidad del proyecto carbonífero ElCerrejón. En Argentina, trabajó en el estudio de la zona carbonífera de Santa Cruz. EnVenezuela, laboró en el estudio de factibilidad del proyecto carbones del Zulia. Promotor deescuelas de ingeniería de minas en la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa y en laUniversidad Nacional de Cajamarca; y de maestrías en la Universidad Nacional de Ingeniería.
Formación:
Ph. D. en Ingeniería de Minas por la University of Saskatchewan (Canadá). M. Sc en Ingeniería
de Minas por la Queen’s University Mining (Canadá). Ingeniero de minas egresado de la
Universidad Nacional de Ingeniería.
Ph. D. Carlos
Agreda Turriate
ACERCA DEL EXPOSITOR
Bienvenidoa la unidad del curso
01
T E M A R I O
Diseño
de mallas01
Cortes
Características02
Voladura controlada
Aspectos relevantes03
Conclusiones
Contenido y propósito del estudio04
Referencias
Identificación de fuentes05
OBJETIVO DE LA UNIDAD
Diseñar un corte eficiente y obtener
límites planificadas de las labores
mineras usando voladura controlada
02
Experienciaprofesional
03
MOTIVACIÓN
Hay alguien tan inteligente
que aprende de la
experiencia de los demás
Voltaire
“ “
04
Diseñode mallas
Tema 01
Minería subterránea
06
Diseñode mallas
01
07
Diseñode mallas
01
Contacto
abierto
Proceso seguro durante la vida útil de
la mina
La geología tanto de la roca estéril
como del mineral
El valor del mineral
Al seleccionar el tipo de diseño de malla de voladura
(B×S) que se utilizará para iniciar las operaciones de una
mina, la información básica más importante que se
requiere es la geología estructural del área de trabajo.
08
Diseñode mallas
01
Abertura subterránea en roca sedimentaria
que intercepta estratos delgados.
Abertura subterránea que intercepta una fina
roca sedimentaria con estratos horizontales.
09
Diseñode mallas
01
Abertura subterránea que intercepta
grandes estructuras de blocks
rocosos.
Abertura subterránea que intercepta
pequeñas estructuras de blocks rocosos.
10
Diseñode mallas
01
0.2
2
1.10
0.2
2
1.1
0
14
12
14 14
10 12
10
12 10 12
10
9 9
99
3
7
8
8
71
.00
1.0
01
.00
0.7
50
.65
16 16 16 16
20 20 20 20
4.4
0
4.5
0
18
18
18
19
19 19 19
19
18
18
18
20
0.80 1.10 1.10 0.80
3.80
4.00
Alzas
Cuadradores
Primer cuadrante:
corte
Arrastres
11
Diseñode mallas
01
Introducción
12
Diseñode mallas
01
Modelo matemático postulado por Holmberg
De (a-e) diferentes; cada una de las cuales
requiere un cálculo especial.
El Dr. Roger Holmberg ha dividido el frente en
cinco secciones.
División
A-E
D
C
AB B
E
A: sección de corte (cut)
B: sección de tajeo (stoping)
C: sección de alza (stoping)
D: sección de contorno (contour)
E: sección de arrastre (lifters)
13
Diseñode mallas
01
El avance que se espera obtener por disparo debe ser
mayor del 95 % de la profundidad del taladro (h).
La profundidad máxima obtenida del taladro (h) es
función del diámetro del taladro vacío.
Donde
H: profundidad del taladro (m)
ø: diámetro del taladro vacío (m)
El avance por disparo será:
Las fórmulas (1) y (2) son válidas si la desviación de la perforación no excede al 2 %.
Si la perforación se hace con una sola broca, el
diámetro del taladro vacío equivalente se calculará
usando la siguiente relación matemática:
Donde
n = n.º de taladros vacíos en el arranque
d0 = diámetro de los taladros de producción (mm)
ø = diámetro del taladro vacío equivalente (mm)
H = 0.15 + 34.1Ø − 39.4Ø2
I = 95 %H
∅ = √𝑛𝑑0
14
Diseñode mallas
01
Diseño en el corte
Primer cuadrante: cálculo del burden en el primer cuadrante
B1 = ቊ1.5∅, si la desviación del taladro es (0.5 % −1.0 %)
1.7∅ −F, si la desviación del taladro es mayor o igual a 1 %
Donde
B1 = burden en el primer cuadrante
ø = diámetro del taladro vacío o el equivalente
H = máxima desviación de la perforación
𝜶 = desviación angular (m/m)
𝜷 = desviación en el collar o empate (m)
F = profundidad del taladro (m)
Corte o arranque
BF = 𝛼H + 𝛽
15
Diseñode mallas
01
Taladro de alivio = 3
Arranque = 3
Ayudas = 16
Cuadradores = 4
Alzas = 4
Arrastres = 4
TOTAL = 24
16
Diseñode mallas
01
Luego de disparar el primer cuadrante, queda
una abertura rectangular de ancho a.
[0.2 – 0.4], para condiciones en las cuales se desarrolló el modelo
Donde
SANFO: potencia por peso del explosivo relativa al an/fo.
C = constante de roca: se refiere a la cantidad de explosivo necesario para remover 1 m3 de roca.
Donde
a: ancho de la abertura creada en el primer cuadrante (m)
B1: burden en el primer cuadrante (m)
F: desviación de la perforación (m)
El burden práctico será:
Restricciones para calcular B:
Si no ocurriera deformación plástica
B2 ≤ 2𝑎
B2 = (B − F)
𝑎 = (B1 − F) 2
𝐶= 0.4𝐶
0.5
00
.70
1,2
01
.00
0.5
0
1.10
0.22 0.2
5
1
2 3
1.2
0
1.100.75 0.75
2.60
3.20
0.6
0
4
4
4
6 6
8 8 8 8
0.30 0.30
3.8
0
Primer
cuadrante
17
Diseñode mallas
01
Si no se satisface la restricción para la deformación plástica, sería mejor elegir otro
explosivo con una potencia por peso más baja para mejorar la fragmentación.
O
El ángulo de apertura debe ser menor que (90º), esto significa que:
Gustaffson:
Propone que el burden para cada cuadrante debe ser:
Donde
B: buden (m)
q: concentración de carga (kg/m)
Si no sucediera lo anterior, la concentración de carga se determinaría por la siguiente relación matemática:
B2 > ൗ𝑎 2
B = 0.9𝑞 SANFO
𝐶 × 𝑓 × ( ൗ𝑆 𝐵)
𝑞2 =32.3 𝑑0 𝐶 2𝑎
SANFO sen(arctan ൗ1 4)1.5 𝑞2 =
540 𝑑0 𝐶 2𝑎
SANFO( Τkg M)
18
Diseñode mallas
01
C = constante de roca
F: factor de fijación
F: 1 para taladros verticales
F: 2 para taladros inclinados
S/B: relación espaciamiento/burden
El número de cuadrángulos en el corte se determina por la siguiente regla:
El número de cuadrángulos en el corte es tal que la longitud del último
cuadrángulo a no debería ser mayor que la raíz cuadrada del avance H
El algoritmo de cálculo de los cuadrángulos restantes es el mismo que para el segundo cuadrante.
El taco en los taladros en todos los cuadrángulos debe ser 10 veces el diámetro de los taladros de
producción T = 10 d0.
𝑎 ≤ H
𝑎𝑝 = 0.7𝑎
𝐶 + 0.05 si B ≥ 1.4 m
𝐶 + 0.07𝐵
si B < 1.4 m
𝐶 =
𝐶 = 0.4
19
Diseñode mallas
01
Arrastres El burden en los arrastres se determina usando la misma fórmula para la voladura de bancos:
El número de taladros en el arrastre está dado por: Donde:
N: número de taladros del arrastre
H: profundidad de los taladros (m)
: ángulo de desviación en el fondo del taladro ( = 3º)
B: burden (m)
N =Ancho del túnel + 2Hsen𝛾
B+ 2
El espaciamiento de los taladros es calculado por la siguiente
expresión matemática:
S =Ancho del túnel + 2Hsen𝛾
N − 1
El espaciamiento de los taladros es calculado
por la siguiente expresión matemática:
S = S − Hsen𝛾
El burden práctico como función de y F está dado por:
B′ = B − Hsen𝛾 − F
20
Diseñode mallas
01
Arrastres
Generalmente, para este método, se
recomienda usar cargas de columna
del 70 % de la carga de fondo.
ℎ𝑐 = H − H𝑏 − 10𝑑0
La longitud de carga de columna
(hc) está dada por:
ℎ𝑏 = 1.25B′
21
Diseñode mallas
01
Taladros de tajeo (stoping): zonas (B y C)Para calcular la carga (q) y el burden (B) en estas zonas, se utilizan el
mismo método y fórmulas usadas en los arrastres (lifters). Con la siguiente
diferencia:
Además, la concentración de la carga de columna es 50 % de la concentración
de la carga de fondo.
En la sección B En la sección C
𝑓 = 1.45 ൗ𝑆 𝐵 = 1.25 𝑓 = 1.20 ൗ𝑆 𝐵 = 1.25
22
Diseñode mallas
01
Taladros de contorno
Si se usa voladura controlada
Si se usa voladura controlada Persson (1973)
𝑓 = 1.45 ൗ𝑆 𝐵 = 0.8 S = K𝑑0
Si
K (15, 16)
d0 : diámetro de los taladros de producción
𝑑 ≤ 0.15 m𝑞 = 90 𝑑02 (m)
23
Diseñode mallas
01
Taladros de contorno
Si NO se usa voladura controlada
El burden y el espaciamiento son determinados usando el mismo
criterio que para el cálculo de los taladros en la zona de arrastres. Con
la diferencia:
𝑓 = 1.2 Τ𝑆 𝐵 =1.25
La mayoría de los investigadores han coincidido que el burden B es
el parámetro más importante para el diseño de voladura de rocas.
La concentración de carga de columna es 80 % de la concentración
de la carga de fondo.
24
Diseñode mallas
01
CortesCaracterísticas
Tema 02
CortesCaracterísticas
02
¿Qué son cortes o arranques?
En minería subterránea, se llama corte
al primer cuadrante del frontón donde
se iniciará la voladura de rocas.
26
Corte
27
CortesCaracterísticas
02
01
02
03
Con taladros angulares
Cortes paralelos
Cortes híbridos
• Cortes piramidales
• Cortes en V
• Cortes de abajo hacia arriba
• Corte quemado
• Corte con taladro vacío de mayor diámetro
• Corte Coromant
• Es la combinación de los cortes
mencionados anteriormente.
Clasificación de
los cortes
28
CortesCaracterísticas
02
Cortes con taladros paralelos
Ventajas de los
cortes con
taladros paralelos
Los cortes con
taladros paralelos
deben ser usados
en rocas duras.
Se obtiene buena
fragmentación de
la roca.
Se obtiene
mayor avance
por disparo. Siempre se dejan
taladros sin cargar y
estos son casi siempre
de mayor diámetro que
los taladros de
producción.
No se requiere de
perforistas bien
entrenados.
29
CortesCaracterísticas
02
Corte quemado
(burn cut)
Corte quemado con taladro
vacío de mayor diámetro
(large hole burn cut)
Corte Coromant
(Coromant cut)
30
CortesCaracterísticas
02
23 cm
(9 in)
45 mm
Loaded
borehole
Empty relief
hole
23 cm (9 in)30 cm (12 in)
45 mm100 mm
40 cm
(16 in)
31
CortesCaracterísticas
02
23 cm (9 in)
15 cm (6 in)
45 mm
30 cm (12 in)
23 cm (9 in)
45 mm
75 mm
32
CortesCaracterísticas
02
33
CortesCaracterísticas
02
Voladura controladaAspectos relevantes
Tema 03
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Voladura controlada
Tiene como concepto fundamental crear un plano de falla antes del disparo de producción. Este plano de falla tiene por objetivo no
dejar pasar las ondas reflejadas y refractadas del disparo de producción.
35
La voladura controlada usa los siguientes modelos matemáticos:
Perforación en línea
(line drilling)
Precorte
(pre-splitting, pre-shearing,
pre-slotting or stress
relieving)
Precorte con
espaciamiento de aire
(air deck pre-splitting)
Voladura de recorte
Voladura lisa
(smooth blasting)
Voladura suave
(cushion blasting)
Voladura
amortiguada
(buffer blasting)
36
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Voladura controlada
37
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Precorte (pre-splitting, pre-shearing, pre-slotting or stress relieving)
Holmes:
«La creación en el macizo rocoso de
una superficie plana o plano de
cizallamiento mediante la utilización
controlada de las MEC y sus accesorios
en taladros con un alineamiento y
espaciamiento adecuados».
38
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Muestra el enlace entre taladros producidos por la acción de ciertas grietas radiales generadas por la
detonación de una MEC que ha sido cargada en una cantidad mínima en cada uno de los taladros.
Leyenda:
T1, T2: taladros de precorte : fracturas radiales
Roca
sueltaZona no
triturada
T 2 T 1
39
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Presión dentro de los taladros (Pb)
Está definida como la presión máxima inicial (Pi), desarrollada dentro de los taladros
por una detonación de una MEC cualquiera.
Dr. Melvin Cook: La curva que representa a la presión y el tiempo de una MEC
cualquiera en la voladura de un taladro se caracteriza por las siguientes
propiedades:
IntensidadPresión
dentro del
taladro (Pb)
Máxima
energía
disponible
(MAE)
El Dr. Cook postuló una serie de ecuaciones para
el modelo matemático de precorte convencional.
A continuación algunas de estas:
Donde
Pb: presión dentro del taladro (psi)
: densidad de la MEC (gr/cc)
D: velocidad de detonación de la MEC (ft/seg)
𝑃𝑏 = 1.6857 10 −3 𝜌 𝐷
40
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Cuando la MEC no llena completamente el volumen del taladro,
es decir la MEC ha sido desacoplada, propuso la siguiente
ecuación:
Si la columna de la MEC ha sido desacoplada y, adicionalmente,
esta no es continua (espaciada), propuso la siguiente ecuación:
𝑷𝒃 = 𝟏. 𝟔𝟗 × 𝟏𝟎−𝟑 × 𝝆 × 𝑫𝟐𝒓𝒄𝒓𝒉
𝟐.𝟒
𝑷𝒃 = 𝟏. 𝟔𝟗 × 𝟏𝟎−𝟑 × 𝝆 × 𝑫𝟐𝒓𝒄𝒓𝒉
𝑪
𝟐.𝟒
El espaciamiento entre los taladros del precorte puede ser
expresado usando la siguiente ecuación:𝑺 ≤
𝟐𝒓𝒃 𝑷𝒃 + 𝑻
𝑻=
Para calcular la densidad de carga, se usa la siguiente expresión
matemática:𝑳𝑫 =
𝑫𝒃𝟐
𝟏𝟐. 𝟏𝟒
41
Voladura controladaAspectos relevantes
03
𝑺 = 𝟏𝟎 𝑫𝒃
𝑩𝒄 = 𝟏. 𝟔 𝑳𝑫
Para calcular la carga de fondo, se usa la siguiente expresión matemática:
También se usa esta expresión matemática para determinar el espaciamiento:
Donde
rc: radio de la MEC (pulg)
rh: radio del taladro (pulg)
rb: radio del taladro (pulg)
T: resistencia tensional de la roca (psi)
S: espaciamiento
D: velocidad de detonación de la MEC (m/sec)
C: % de la longitud de la columna que ha sido cargada
LD: densidad de la carga (gr/ML)
Db: diámetro del taladro
Bc: carga de fondo (gr)
42
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Ventajas
Reduce
Reduce el excesivo
fracturamiento del macizo rocoso.
Obtiene
Se obtiene paredes y límites
finales más limpios y estables.
Se necesita perforar menor
número de taladros que son
necesarios cuando se usan otras
técnicas de voladura controlada.
Necesita Reduce
Se reduce el nivel de vibraciones
producidos por la detonación del
disparo de producción.
43
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Desventajas
01 02 03
La perforación de los taladros
que conforman la fila del precorte
debe ser efectuada con mucho
cuidado, y ellos deben estar muy
bien alineados, y por lo tanto, esta
operación es lenta y costosa.
El carguío de los taladros
de la fila del precorte toma mayor
tiempo que el carguío de los taladros
de producción.
Los resultados del precorte
son muy difíciles de determinar
hasta que la excavación principal
sea completada hasta las paredes
finales.
44
Voladura controladaAspectos relevantes
03
MEC
espaciada
45
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Precorte con espaciamiento de aire
(air deck pre-splitting)
Melnikov y Marenko
Esta técnica ha sido usada en voladura controlada llamada
precorte, donde una carga explosiva es colocada en el fondo de
los taladros y una bolsa de aire es colocada cerca de la parte
superior del taladro, el cual tiene el taco en la parte superior.
5.0 m
6.0 m
4.5 m
Precorte con ANFO (carga
de ANFO: 5.0 m)
Taco
de
detrito
ANFO ANFO
Air
deck
Taco
de
detrito8.0 m
3.5 m
4.0 m
Precorte con air deck
(carga de ANFO: 4.0 m)
46
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Variables de diseño
Las más importantes entre otras, son las siguientes:
El peso de la MECEl espaciamiento
entre los taladros
La ubicación del
tapón
La formulación matemática para calcular estas variables está en pleno proceso de
desarrollo, pero la mayoría de investigadores está de acuerdo en lo siguiente:
Carga explosiva/taladro del precorte = (0.08-0.12) lbs. x área
superficial del precorte
El espaciamiento entre los taladros en la línea del precorte
= (1.7 – 2.0) x diámetro del taladro en pulgadas, para obtener el
espaciamiento en pies.
El taco en los taladros del precorte = (1.0 – 1.2) diámetro del taladro
en pulgadas para obtener el taco en pies.
Stemming
ANFO
Gasbag
Air
ANFO
47
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Ventajas
Se emplea menor cantidad de MEC.
Se obtiene una mejor estabilidad de las
paredes finales de la excavación.
Se obtiene un menor costo de perforación,
esto se debe a que el espaciamiento entre
los taladros que conforman la línea del
precorte es mayor que el que se usa cuando
se aplican otras técnicas de la voladura
controlada.
Es necesario contar con personal bien entrenado y
capacitado para efectuar el carguío de los taladros
en forma adecuada, ya que prácticamente de esto
dependerá los resultados a obtenerse.
El diseño de carga debe ser efectuado por personal
calificado y con amplia experiencia de campo,
porque los resultados a obtenerse estarán en
función del diseño.
Aggregate
Vari-Stem
Plug
Air deckAllows varied
emulsion heights
Gives constant
stemming height
No emulsion
contamination
Emulsion
Desventajas
48
Voladura controladaAspectos relevantes
03
Charge
Stemming
Moderate intesity fracturing
Air deck
High intensity of fracturing
Fracture and stress profiles
resulting from different charge
geometries (redrawn after
Chiappetta and Mammele).
The influence of the air decks
on improving fragmentation in
the collar scetion of blast can
be seen.
ConclusionesContenido y propósito del estudio
Tema 04
ConclusionesContenido y propósito del estudio
04 50
En minería subterránea, el profesional debe crear la cara libre a donde
saldrá el primer cuadrante de la labor minera.
El profesional debe tomar sus propias decisiones en optar por un diseño de
mallas de acuerdo a su experiencia de campo y tipo de roca.
En una labor minera subterránea, el corte es fundamental para una
adecuada fragmentación de la roca.
Los cortes paralelos son los mejores en minería subterránea.
Se recomienda el corte con taladro vacío con mayor diámetro.
Los conocimientos y la experiencia de campo son la combinación perfecta
en la planificación estratégica de perforación y voladura de rocas.
ReferenciasIdentificación de fuentes
Tema 05
Agreda, C. (1998). Modelización matemática.
Agreda, C. (2001). Voladura controlada, teoría y aplicaciones.
Chiappetta, R. (2004). New blasting technique to eliminate
subgrade drilling, improve fragmentation, reduce explosives
consumption and lower ground vibrations. Journal of Explosive
Engineering.
Gertsch, R. y Bullock, R. (1998). Techniques in underground
mining. Society for Mining, Metallurgy, and Exploration.
Hustrulid, W. y Bullock, R. (1998). Underground mining methods:
engineering fundamentals and international cases studies. Society
for Mining, Metallurgy, and Exploration.
ReferenciasIdentificación de fuentes
05
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blasting. Wiley or Almqvist & Wiksell.
Moxon, N., y Richardson, S. (s. f.). Reducing blasting costs using air-
decks.
Scoble, M., y Moss, A. (1994). Dilution in underground bulk mining:
implications for production management. Geological Society, London,
Special Publications, 79(1).
52