MECÁNICA DE ROTURA DE LAS ROCAS PROCESOS DE FRAGMENTACIÓN Y TEORÍAS
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS PROCESO DE FRACTURACIÓN La fragmentación de rocas por voladura comprende a la acción de un explosivo y a la consecuente respuesta de la masa de roca circundante, involucrando factores de tiempo, energía termodinámica, ondas de presión, mecánica de rocas y otros, en un rápido y complejo mecanismo de interacción.
PROCESO DE DETONACIÓN DE UNA CARGA EXPLOSIVA ONDA DE CHOQUE O DE TENSIÓN ROCA COMPRIMIDA
ONDA DE REFLEXIÓN
(*)
ROCA NO ALTERADA
*** ***** ******** ********** ************* *************** ***************** ******************* ********************* *********************** ************************** ****** ******************* ***********
CAÍDA DE PRESIÓN INICIAL
ONDA DE REFLEXIÓN Y GASES EN EXPANSIÓN
ENSANCHAMIENTO DEL TALADRO
PCJ
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EXPLOSIVO SIN REACCIONAR DIRECCIÓN DE AVANCE DE LA DETONACIÓN
FC ZR
ROCA NO ALTERADA
PCJ: PLANO DE CJ ZR : ZONA DE REACCIÓN FC : FRENTE DE CHOQUE
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS Este mecanismo aún no está plenamente definido, existiendo varias teorías que tratan de explicarlo entre las que mencionamos a:
Teoría de reflexión (ondas de tensión reflejadas en una cara libre).
Teoría de expansión de gases. Teoría de ruptura flexural (por expansión de gases).
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS Teoría de torque (torsión) o de cizallamiento. Teoría de craterización. Teoría de energía de los frentes de onda de compresión y tensión. Teoría de liberación súbita de cargas. Teoría de nucleación de fracturas en fallas y discontinuidades.
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS Una explicación sencilla, comúnmente aceptada, que resume varios de los conceptos considerados en estas teorías, estima que el proceso ocurre en varias etapas o fases que se desarrollan casi simultáneamente en un tiempo extremadamente corto, de pocos milisegundos, durante el cual ocurre la completa detonación de una carga confinada, comprendiendo desde la fragmentación hasta el total desplazamiento del material volado.
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS Estas etapas son: 1. Detonación del explosivo y generación de la onda de choque. 2. Transferencia de la onda de choque a la masa de la roca iniciando su agrietamiento. 3. Generación y expansión de gases a alta presión y temperatura que provocan la fracturación y movimiento de la roca. 4. Desplazamiento de la masa de roca triturada para formar la pila de escombros o detritos. .........
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS La rotura de rocas requiere condiciones fundamentales como: 1. Confinamiento del explosivo en el taladro. 2. Cara libre. 3. Relación entre diámetro del taladro a distancia óptima a la cara libre (burden). 4. Relación burden-altura de banco y profundidad del taladro. 5. Condiciones geológicas, parámetros del taladro y explosivo para generar el fisuramiento cilíndrico radial y la consecuente rotura flexural.
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE 1. COLUMNA EXPLOSIVA
TACO INERTE
CARGA EXPLOSIVA CONFINADA
INICIADOR SUFICIENTE
BURDEN
TALADRO
CARA LIBRE
SOBREPERFORACIÓN
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE 2. PROPAGACIÓN DE LA ONDA DE SHOCK
LAS ONDAS O FUERZAS DE COMPRESIÓN GENERADAS EN EL TALADRO VIAJAN HACIA LA CARA LIBRE
LAS ONDAS QUE ESCAPAN PRODUCEN CONCUSIÓN Y ONDAS SÍSMICAS
ONDAS SISMICAS
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE 3. AGRIETAMIENTO POR TENSIÓN LAS ONDAS SE REFLEJAN EN LA CARA LIBRE Y REGRESAN EN FORMA DE FUERZAS DE TENSIÓN QUE AGRIETAN A LA ROCA. SE NOTA YA LA EXPANSIÓN DE LOS GASES
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE 4. ROTURA DE EXPANSIÓN LOS GASES A ALTA PRESIÓN SE EXPANDEN RÁPIDAMENTE PENETRANDO EN LAS GRIETAS DE TENSIÓN INICIANDO LA ROTURA RADIAL Y EL DESPLAZAMIENTO DE LA ROCA
ROTURA ADICIONAL POR DESCOSTRE
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE 5. EXPANSIÓN MÁXIMA (ROTURA FLEXURAL) LOS GASES PRESIONAN AL CUERPO DE ROCA ENTRE EL TALADRO Y LA CARA LIBRE, DOBLÁNDOLA Y CREANDO PLANOS DE ROTURA HORIZONTALES ADICIONALES
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE 6. FASE FINAL: FORMACIÓN DE LA PILA DE ESCOMBROS LOS GASES EN O CON EL MEDIO AMBIENTE PIERDEN FUERZA Y EL MATERIAL TRITURADO CAE AL PIE DE LA NUEVA CARA LIBRE
ESQUEMA DE AGRIETAMIENTO RADIAL DE LA ROCA
ESQUEMA DE AGRIETAMIENTO RADIAL DE LA ROCA Y LA INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS
Si las columnas de explosivo son intersectadas longitudinal-mente por fracturas existentes, éstas se abrirán por efecto de la onda de choque y se limitará el desarrollo de las grietas radiales en otras direcciones. Las fracturas paralelas a los taladros que se encuentran a cierta distancia de estos taladros, evitarán que la formación de grietas se propaguen en la roca. Fracturas Grietas radiales
Zona de fracturación radial
Roca pulverizada Taladro
El agrietamiento no avanza debido al choque con las fracturas paralelas
MECANISMOS DE ROTURA • FASE I
(VISTA DE PLANTA) CARA LIBRE
ONDAS DE CHOQUE
BURDEN
TALADROS ESPACIAMIENTO
MECANISMOS DE ROTURA (VISTA DE PLANTA)
• FASE II
TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO
CARA LIBRE
ONDAS DE CHOQUE REFLEJADAS
ZONA DE AGRIETAMIENTO RADIAL
ANILLO DE ROCA PULVERIZADA
MECANISMOS DE ROTURA • FASE III
(VISTA DE PLANTA) PROYECCIÓN DE ROCA
ONDAS DE CHOQUE REFLEJADAS
EXTENSIÓN DE LAS GRIETAS RADIALES POR LA EXPANSIÓN DE LOS GASSES
CARA LIBRE
MECANISMOS DE ROTURA (VISTA DE PLANTA) • FASE IV PROYECCIÓN DE ROCA
ROTURA DE CRÁTER
MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO SIN CARA LIBRE (CRÁTER) 1. TALADRO DE CRÁTER
TACO INERTE LÍMITE DE ROTURA COLUMNA EXPLOSIVA BOOSTER
MECÁNICA DE ROTURA DE UN TALADRO SIN CARA LIBRE (CRÁTER) 2. DETONACIÓN ONDAS DE TENSIÓN, SÓLO EN LA CARA LIBRE SUPERFICIAL
ONDAS DE COMPRESIÓN
ONDAS DE COMPRESIÓN QUE SE DISIPAN COMO ONDAS SÍSMICAS
INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS
INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS 1. ESPACIAMIENTO ADECUADO TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO
CARA LIBRE
ONDAS DE CHOQUE REFLEJADAS
ZONA DE AGRIETAMIENTO RADIAL
ESPACIAMIENTO
ANILLO DE ROCA PULVERIZADA
INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS 2. ESPACIAMIENTO MUY CORTO (PROYECCIÓN EXCESIVA) TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO
CARA LIBRE
INFLUENCIA ENTRE TALADROS
SOBREROTURA
ESPACIAMIENTO ANILLO DE ROCA PULVERIZADA
INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS 3. ESPACIAMIENTO MUY AMPLIO (LOS TALADROS SE SOPLAN) CARA LIBRE
ESPACIAMIENTO
ANILLO DE ROCA PULVERIZADA
INFLUENCIA DEL ORDEN DE SALIDA DE LOS TALADROS CONTIGUOS
DISEÑO DE MALLA VOLADURA SUBTERRÁNEA 11A 11A
11A
EJEMPLO
11A
11A
6A
11A
6A
11A
3A 5A
9A
5A 1A
3A
3R
1A
1R
1R
9A
3A
9A 5A
1A
3R
1A
1,5 m
3A 9A
9A 7A
15A
7A
13A
7A
13A
3,5 m
9A
5A
7A
13A
15A
3,0 m
N° Taladros = 40 cargados + 2 de alivio
DISEÑO DE MALLA VOLADURA DE SUPERFIE EJEMPLO
25 17
17
PUNTO DE INICIACIÓN
º
51
º
34
º
17
º
º
17
CARA LIBRE
º
34
º
51
76
59
42
25
42
59
76
101
84
67
50
67
84
101
126
109
92
75
92
109
126
151
134
117
100
117
134
151
DISEÑO DE MALLA VOLADURA DE SUPERFIE EJEMPLO PUNTO DE INICIACION
CARA LIBRE
42
59
76
84
101
118
135
152
17
42
168
143
160
177
194
126
185
202
219
236
210
227
244
269
DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA POTENCIAL DE UN EXPLOSIVO EN ACCIÓN EXPLOSIÓN: IMPACTO - EXPANSIÓN ENERGIA ÚTIL DE TRABAJO ENERGÍA DE LA ONDA DE CHOQUE
ENERGÍA DE LOS GASES DE EXPANSIÓN
EFECTOS SUMADOS DE IMPACTO Y DE PRESIÓN, QUE PRODUCEN EN LA ROCA LA DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y ROTURA IN SITU (1)
ENERGÍA NO UTILIZABLE O PERDIDA TÉRMICA
LUMINOSA VIBRATORIA (CALOR) (LUZ) SÓNICA (ONDA SÍSMICA) (RUIDO) (BLAST)
ENERGÍA REMANENTE DE LA EXPANSIÓN DE GASES (2)
PÉRDIDAS AL PONERSE LOS GASES CON ELEVADA PRESIÓN EN O CON LA ATMÓSFERA
PORCENTAJE UTILIZABLE PARA EL DESPLAZAMIENTO DE FRAGMENTOS DENTRO DEL MONTON DE ESCOMBROS (EMPUJE Y APILONADO DE LOS DETRITOS)
PÉRDIDA ADICIONAL EN EL IMPULSO DE PROYECCIÓN DE FRAGMENTOS VOLANTES (FLY ROCKS)
VARIABLES CONTROLABLES EN LA VOLADURA
VARIABLES NO CONTROLABLES EN VOLADURA
PERFORACIÓN CARGA Y ENCENDIDO
GEOLOGÍA
VOLADURA PREPARADA
DISPARO TIEMPO PROMEDIO DEL PROCESO MENOS DE 2 S
RESULTADO DEL DISPARO
VARIABLES CONTROLABLES EN LA VOLADURA PERFORACIÓN • DIÁMETRO DE TALADRO
• TIPO DE CORTE O ARRANQUE
• LONGITUD DE TALADRO
• DIRECCIÓN DE SALIDA DE LOS TIROS
• DISTRIBUCIÓN DE TALADROS (MALLA DE PERFORACIÓN) • RADIO ESPACIO/ BURDEN
• LONGITUD DE TACO
• DIMENSIÓN DE LA VOLADURA • CONFIGURACIÓN DEL DISPARO
• ANGULARIDAD Y/O PARALELISMO • SOBREPERFORACIÓN
• CARAS LIBRES DISPONIBLES
• ALTURA DE BANCO
• TIPO DE TACO INERTE • PROFUNDIDAD DE AVANCE (EN SUBSUELO)
VARIABLES CONTROLABLES EN LA VOLADURA CARGA Y ENCENDIDO • TIPO DE EXPLOSIVO • PROPIEDADES: * DENSIDAD * VELOCIDAD * SENSIBILIDAD * BRISANCE * SIMPATÍA, ETC. • ENERGÍA DISPONIBLE • MÉTODO DE CARGA Y CEBADO • ACOPLAMIENTO TALADRO/EXPLOSIVO • LONGITUD DE COLUMNA EXPLOSIVA
• FACTOR DE CARGA (kg/m3) • DISTRIBUCIÓN: * CARGA DE FONDO * CARGA DE COLUMNA (TIPOS Y DENSIDADES) • PROYECCIÓN DE CARAS LIBRES A FORMAR CON CADA SALIDA • SISTEMA DE INICIACIÓN
• SECUENCIA DE ENCENDIDOS • DISTRIBUCIÓN DE CARGA (A COLUMNA COMPLETA O CON CARGAS ESPACIADAS)
VARIABLES NO CONTROLABLES EN LA VOLADURA GEOLOGÍA • TIPO DE ROCA • RESISTENCIA A LA ROTURA Y PROPIEDADES ELÁSTICAS DE LA ROCA • FRECUENCIA SÍSMICA • PRESENCIA DE AGUA • CONDICIONES DEL TERRENO
• CONDICIONES DEL CLIMA • DISCONTINUIDADES: GRADO DE FISURAMIENTO * DISYUNCION * CLIVAJE * FALLAS * FISURAS OQUEDADES, CAVERNAS Y OTRAS.
RESULTADO DEL DISPARO EN RENDIMIENTO • SALIDA TOTAL O PARCIAL DEL DISPARO • FRAGMENTACIÓN • DESPLAZAMIENTO Y FORMA DEL CONO DE ESCOMBROS • VOLUMEN DEL MATERIAL ROTO • ESPONJAMIENTO (PARA EL RECOJO Y RETIRO DE DETRITOS) • ROTURA HACIA ATRÁS (BACK BREAK) • SOBRESCAVACIÓN • AVANCE DEL FRENTE • PROYECCIÓN FRONTAL Y LATERAL • NIVEL DE PISO (LOMOS) • ANILLADO, CORNISAS, SUBSUELO, ETC.
EN SEGURIDAD • PROYECCIÓN DE FRAGMENTOS (FLY ROCKS) • TECHOS Y CAJAS GOLPEADAS (POSIBILIDAD DE DESPLOME) • EXPLOSIVOS Y RIOS NO DETONADOS • TIROS FALLADOS • GASES REMANENTES
CAUSAS USALES DE FALLAS DE DISPAROS CAUSAS Insuficiente disponibilidad de energía
Error con el tipo de iniciador o incompatibilidad
Ejecución del Plan de disparo
Condiciones geológicas adversas
Mezcla explosiva
Inapropiada selección de tiempos
Propagación
Taladros con agua
Errores de perforación
Taladros perdidos
Errores de tiempos
Cut - offs: cortes por diversos motivos: geología y otros
Cebado insuficiente Compatibilidad del cordón Antigüedad de almacenaje (edad-shelf life) Efecto Canal (Dead Pressing) Presión de muerte, densidad Confinamiento insuficiente
Dispersión de retardos Golpe de agua (Water Hammer) Mezcla de diferentes tipos o marcas de detonadores de retardo Errores en el orden de encendido de los retardos
Errores de carga del taladro