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Aplicación geomecánica en la perforación y voladura

16 agosto, 2012 por Seguridad Minera 3 comentarios

En frentes de avance por perforación y voladura, el corte, cuele o arranquen, constituyen el éxito de la voladura. El siguiente artículo recoge las experiencias en las minas Antapite y La Maruja.

El corte en sí es un prisma vacío de sección acorde al esquema y profundidad según la longitud perforada; este volumen sirve como cara libre al resto de los taladros, hasta obtener la sección final de excavación deseada.

El presente trabajo propone la aplicación practicada inicialmente en el 2002 en la mina Antapite de INMINSUR (solamente el corte o arranque) y posteriormente (2005) en la mina La Maruja de Mineros Nacionales en Colombia, sección completa del frente. El esquema del corte alcancía consiste en la realización de un taladro central de gran diámetro (64mm) y dos taladros de menos diámetro (38mm) opuestos diametralmente en el mismo eje. Estos taladros tienen como condición estar ubicados en dirección paralela a la mayor tensión principal presente en el macizo rocoso; la distancia de separación entre taladros de arranque depende del tipo y calidad de la roca.

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Actualmente se usan diversos tipos de corte o arranque, siendo los más comunes; el corte quemado con cuatro, cinco, seis y nueve taladros, incluidos los taladros de alivio y los de corte cilíndrico con sus variantes.

En un macizo rocoso se manifiestan tres esfuerzos principales y es vital identificar la tensión principal mayor del macizo rocoso en la excavación subterránea (galerías, cruceros, túneles, etc) para ubicar el eje de los taladros del corte o arranque.

Al respecto, se han ideado técnicas de identificación para determinar la dirección de la tensión principal mayor mediante procedimientos sencillos y prácticos, que se exponen a continuación:

1. El trabajo de una prensa mecánica, ejerciendo presión sobre una masa (madera).

2. De la observación de las fisuras de los taladros como resultado de la volcadura.

La práctica de esta técnica de voladura en las excavaciones subterráneas y su posible aplicación en tajos abiertos minimizarán el consumo de barrenos, el desgaste de la máquina perforadora, el tiempo de perforación, el consumo de explosivos, de aire comprimido y de agua industrial; y consecuentemente, conllevará una menor emisión de gases al medio ambiente producidos por los explosivos, incrementando a la vez la productividad, la reducción de costos, la mejora continua y la eficiencia de las operaciones mineras.

El paso inicial de la voladura de frentes de avance tiene como principio la generación de una cavidad libre, usando taladros que conforman el esquema del corte o arranque destinado a crear una segunda cara libre de otra sección más grande para facilitar la rotura del resto de los taladros en dirección hacia dicha cavidad.

Es así como en muchas excavaciones subterráneas se practica una serie de modelos de cortes en función al tipo de roca, dureza, porosidad, alteración y otros. Los esquemas de cortes más usados son: el corte paralelo y corte cilíndrico.

Esquemas de corte y mecánica de fracturamiento
Frecuentemente los esquemas de corte usados son el corte paralelo y el corte cilíndrico. Estos esquemas se usan en roca homogénea y competente, pero no siempre dan el resultado esperado, ya que errores en la perforación, profundidad perforada, distribución del explosivo o secuencia del encendido, producirán la mala formación de la cavidad, produciéndose la sinterización (aglomeración, congelamiento).

La secuencia de voladura de la sección completa comprende tres fases: en la primera, son detonados dos simultáneamente los taladros de arranque creando la cavidad, con suficiente capacidad para acoger los detritus producidos por la voladura de los taladros de ayuda cercanos y faciliten la expulsión del material de arranque; en la segunda parte, los taladros de ayuda rompen por colapso hacia el eje del orificio a lo largo de toda la longitud perforada y por último salen los taladros de la periferia (alzas cuadradores y arrastres del piso).

Paralelamente, al detonar explosivos en el taladro, se producen intensas ondas de tracción produciendo los cortes (estrías) a la roca. Las rocas son trituradas, pulverizadas y desalojadas. A la vez, fuera de esa zona de transición, las tensiones de tracción generan grietas radiales alrededor de todo el taladro denominado fisuramiento radial; algunas de estas fisuras son de mayor longitud y otras de menor longitud.

Corte paralelo
Los cortes en paralelo, como su nombre lo indica, se efectúan con taladros paralelos entre sí y paralelos al eje de la excavación; el principio se orienta a la apertura de un orifico (corte). El corte es realizado con barrenos de igual diámetro, perforados cercanamente entre sí, utilizando diferentes esquemas de ubicación de los taladros. Los más comunes son de cuatro, cinco, seis, nueve y más taladros paralelos, formando contornos superficiales geométricos como: el triángulo, el cuadrado, el rombo, etc. En la fase del carguío para la voladura, algunos taladros no contendrán cargan explosiva, de modo que sus espacios vacíos actúan como caras libres (taladros de alivio).

Corte cilíndrico
El corte cilíndrico es similar a la distribución de taladros con el corte paralelo. La diferencia es que en el esquema se incluyen uno o más taladros centrales vacíos de mayor diámetro comparados con el resto de los taladros adyacentes, de menor diámetro, donde son cargados con carga explosiva, facilitando la creación de la cavidad. Normalmente proporciona mayor avance que el corte quemado por tener menor efecto de sinterización. El burden (distancia entre puntos centros) entre el taladro vacío de gran diámetro y el más próximo cargado se estima con la siguiente relación:

B = 1.5 a 1.7 x diámetro del taladro mayor

Corte alcancía
El corte alcancía es parecido al corte cilíndrico. Este corte consta de un taladro central de gran diámetro (64 mm) y solamente dos taladros de alivio de menor diámetro (38 mm) opuestos diametralmente, donde se carga el explosivo. El mayor efecto rompedor se logra cuando el eje de los tres taladros se ubica en la dirección paralela de la tensión principal mayor del macizo rocoso. Por ejemplo, el burden estimado en la mina La Maruja, se encuentra mediante la siguiente relacion:

B = O x D1

Siendo:
B = Distancia de ejes entre taladros mayor y menor
O = Variable que depende de la práctica
D1 = Diámetro del taladro mayor

Usando las diferentes variables y en base a la relación de burden calculamos la piedra, que es la distancia tangencial entre el taladro de mayor diámetro y el de menos diámetro. Para ubicar el eje donde se perforará el esquema del corte alcancía, se identificará primero la dirección de la tensión principal mayor del macizo rocoso y luego se procederá a examinar esta tensión fundamentada por los efectos producidos e interpretados con ejemplos prácticos de campo.

Determinación de la tensión principal mayor
Los macizos rocosos se encuentran sometidos a tres tensiones principales representadas por: la tensión vertical y las tensiones horizontales. Al realizar cavación cualquiera, las tensiones presentes se redistribuyen en sus inmediaciones y la excavación soporta a la tnsion vertical y a una de las tensiones horizontales. Para identificar la dirección de la tensión principal mayor, se procede de la siguiente manera:

– Trabajo de la prensa mecánica
Teniendo un sólido como la madera, que previamente ha sido horadada de forma cilíndrica en la parte central (analogía con los taladros), es presionada por una prensa mecánica que jerce una presión unidireccional (analogíade las tensiones del macizo rocoso).

En ese estado, si aplicamos un objeto cortante (efecto cortante de la voladura) en dirección perpendicular a la presión ejercida, veremos que solamente cortará una pequeña longitud; en cambio, si presionamos el objeto cortante (serrucho) en el sentido de la presión ejercida por la prensa, el corte se desarrollará sin dificultad.

– Mediante la observación del resultado de los taladros disparados.
Si observamos el frente de la excavación, notaremos que alrededor de los taladros disparados quedarán fisuras visibles, producto del campo de los esfuerzos de corte producidos por la explosión, destacándose unas fisuras de mayo longitud con respecto a las otras estrías; y si unimos los extremos de estas fisuras, veremos que se forma una elipse.

En base a esta observación concluimos que las estrías de mayor longitud se desarrollaron con el sentido del eje mayor de la elipse coincidente con la dirección de la tensión principal mayor presente del macizo rocoso y el eje menor de la elipse coincide con la dirección de la tensión principal menor presente en el macizo rocoso.

Por Ing. Miguel Ángel Berrocal Mallqui, consultecingenieros@yahoo.com.ar

Publicado en: Operaciones Etiquetado como: Minería Subterránea, Perforación, Voladura

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