Expo Vibraciones Ing Carlos Francia S

EX PLO S IV O S S . A .C .

EXPOSITOR:ING. CARLOS FRANCIA SAENZ

Huaraz Noviembre 2006

PERTURBACIONES ORIGINADAS POR LAS PERTURBACIONES ORIGINADAS POR LAS VOLADURASVOLADURAS

• Onda aérea• Proyecciones de roca• Vibraciones • Polvo

PERTURBACIONES ORIGINADAS POR LAS PERTURBACIONES ORIGINADAS POR LAS VOLADURASVOLADURAS

Todas ellas pueden causar daños en las estructuras próximas. Para su control es necesario entender:

• La teoría de generación y propagación de las vibraciones y onda aérea producidas por las voladuras

• La metodología de estudio• Los criterios de daño aplicables, y• Los parámetros de diseño.

VIBRACIONES DEL TERRENO POR EFECTOS VIBRACIONES DEL TERRENO POR EFECTOS DE LAS VOLADURASDE LAS VOLADURAS

1. Geología local y características de la roca.

2. Carga operante.

3. Distancia al punto de la voladura.

4. Consumo específico de la voladura.

5. Tipo de explosivos.

6. Tiempos de retardo.

7. Variables geométricas de las voladuras.

VARIABLES QUE AFECTAN A LAS CARACTERISTICAS DE LAS VIBRACIONES:

• Macizos rocosos homogéneos y masivos.

• Estructuras geológicas complejas.

• Presencia de suelos de recubrimiento sobre

sustratos rocosos.

1. GEOLOGIA LOCAL Y CARACTERISTICAS GEOMECANICAS DE LAS ROCAS


• La magnitud de las vibraciones varía según la carga de explosivo que es detonada y la distancia de dicho punto al lugar de la voladura.

• En lugares donde se emplea más de un número de detonador, es la mayor carga por retardo la que influye directamente en la intensidad de las vibraciones y no la carga total empleada en la voladura.

• Cuando en la voladura existen varios taladros con detonadores que poseen el mismo tiempo de retardo nominal, la carga máxima operante suele ser menor que la total, debido a la dispersión en los tiempos de salida de los detonadores empleados.

2.2. CARGA OPERANTECARGA OPERANTE


• El peso de la carga operante es el factor individual más importante que afecta a la generación de las vibraciones.

• La relación que existe entre la intensidad de las vibraciones y la carga es de tipo potencial. Así por ejemplo para la velocidad de partícula se cumple:

V α Wa Según el U.S. Bureau of Mines

‘a’ es del orden de 0.8


2.2. CARGA OPERANTECARGA OPERANTE

• La distancia a las voladuras tiene, al igual que la carga operante, tiene una gran importancia sobre la magnitud de las vibraciones.

• Conforme la distancia aumenta, la intensidad de las vibraciones disminuye de acuerdo a una ley del tipo:

V α 1/Db

Según el U.S. Bureau of Mines ‘ b’ es del orden de 1.6

3.3. DISTANCIA AL PUNTO DE LA VOLADURADISTANCIA AL PUNTO DE LA VOLADURA


• Otro efecto de la distancia es el debido a la atenuación de las componentes de la onda de alta frecuencia, ya que la tierra actúa como un filtro pasabajos. Así, a grandes distancias de las voladuras, las vibraciones del terreno contendrán más energía en el rango de las frecuencias bajas (ver figura).


3.3. DISTANCIA AL PUNTO DE LA VOLADURADISTANCIA AL PUNTO DE LA VOLADURA

Modificación Modificación de las de las vibraciones al vibraciones al propagarse propagarse por terrenos por terrenos de diferente de diferente estructura y estructura y característicascaracterísticas

• Otro aspecto interesante, y en ocasiones confuso para algunos operadores, es el que se refiere al consumo específico de explosivo.

• Frente a problemas de vibraciones, algunos usuarios plantean reducir el consumo específico de las voladuras, pero esto no significa situaciones de niveles mínimos.

4. CONSUMO ESPECIFICO DE EXPLOSIVO


En la figura, se En la figura, se puede observar puede observar la influencia del la influencia del consumo consumo específico en específico en situaciones situaciones extremas y extremas y próximos al nivel próximos al nivel óptimo de óptimo de utilización en utilización en voladuras de voladuras de banco.banco.

5. TIPOS DE EXPLOSIVOS

• Existe una correspondencia entre las velocidades de partícula y las tensiones inducidas en las rocas, y tal constante de proporcionalidad es la impedancia del medio rocoso.

• La primera consecuencia práctica es que aquellos explosivos que generan presiones de taladros más bajas, provocarán niveles de vibraciones inferiores.

• Estos explosivos son los de baja densidad y de baja velocidad de detonación, por ejemplo el ANFO.


• Si se compara la misma cantidad de ANFO con un HANFO, la intensidad de las vibraciones generadas por el primero es de alrededor de 1.5 veces menor.

• En los estudios sobre vibraciones, si se utilizan explosivos de potencias muy dispares, las cargas deben ser normalizadas a un explosivo patrón de potencia conocida. Este explosivo puede ser el ANFO, puesto que se consume en mayor cantidad.

5. TIPOS DE EXPLOSIVOS


6.6. TIEMPOS DE RETARDOTIEMPOS DE RETARDO

• El intervalo de retardo entre las detonaciones de taladros puede referirse al tiempo de retardo nominal o al tiempo de retardo efectivo.

• El tiempo de retardo nominal es la diferencia entre los tiempos nominales de iniciación. El tiempo de retardo efectivo, es la diferencia de los tiempos de llegada de los pulsos generados por la detonación de los taladros disparados con periodos consecutivos.


• Los tiempos de retardo nominal y efectivo, dependen del espaciamiento de los taladros, de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas y del ángulo entre la línea de progresión de la voladura y la posición del captador.

• Los intervalos de tiempos mínimos de retardo para eliminar las interferencias constructivas o los efectos sumatorios, calculados por Duvall (1963) en canteras de calizas, son de 8 ms y 9 ms.



• Langefors (1963) señala que con intervalos mayores a 3 veces el periodo de vibración, no existe colaboración entre taladros adyacentes detonados en forma secuenciada, debido a la amortiguación de las señales.

• Nobel’s Explosive Co. señala para voladuras secuenciadas, que con tiempos de retardo menores que 25 ms, existen interferencias constructivas en el nivel máximo de vibración.



7.7. VARIABLES GEOMETRICAS DE LAS VOLADURAS VARIABLES GEOMETRICAS DE LAS VOLADURAS

• DIÁMETRO DE PERFORACIÓN: El aumento del diámetro de perforación, resulta en cargas operantes en ocasiones muy elevadas.

La mayoría de las variables geométricas de diseño de las voladuras tienen una considerable influencia sobre las vibraciones generadas. En resumen:


• ALTURA DE BANCO: Para obtener una buena fragmentación y reducir el nivel de vibraciones, se sugiere mantener la relación H/B>2.

• BURDEN Y ESPACIAMIENTO: Si el burden es excesivo, los gases de la explosión encuentran resistencia para fragmentar y desplazar la roca y parte de la energía del explosivo se transforma en energía sísmica aumentando la intensidad de las vibraciones (ver figura). En cuanto al espaciamiento, su influencia es semejante, e incluso su dimensión depende del burden.



Efectos de Efectos de una carga una carga explosiva explosiva según la según la dimensión dimensión del burden.del burden.

• SOBREPERFORACIÓN: A mayor longitud, la cantidad de energía es cada vez menor en el cizallamiento y movimiento de la roca en la base. El porcentaje cada vez mayor de la energía desarrollada por el explosivo, se convierte en vibraciones del terreno.

• TACO: Si la longitud del taco es excesiva, además de presentar problemas de fragmentación, se aumenta el confinamiento, dando lugar a mayores niveles de vibraciones.



• DESACOPLAMIENTO: Empleando desacoplamientos del 65 al 75 %, se mejora la fragmentación y la uniformidad de la granulometría (Melnikov), asimismo, se diminuye el % de voladura secundaria, el consumo específico de explosivos y la intensidad de las vibraciones del terreno (ver figura).



Influencia del desacoplamiento (relación entre el diámetro de la carga y el diámetro del taladro) en la intensidad de las vibraciones Según Atchinson (1970).

1. Tipos de ondas sísmicas generadas

2. Parámetros de las ondas

3. Atenuación geométrica

4. Amortiguación inelástica

5. Interacción de las ondas elásticas

CARACTERISTICAS DE LAS VIBRACIONES CARACTERISTICAS DE LAS VIBRACIONES

Aspectos teóricos de la generación y propagación de las vibraciones producidas en las voladuras de rocas.

Somera aproximación al problema – los fenómenos reales son mucho más complejos debido a la superposición de las ondas y mecanismos modificadores de éstas

1.1. TIPOS DE ONDAS SISMICAS GENERADASTIPOS DE ONDAS SISMICAS GENERADAS

Las vibraciones generadas en las voladuras se transmiten a través de los materiales como ondas sísmicas cuyo frente se desplaza radialmente a partir del punto de detonación. Las distintas onda sísmicas se clasifican en 2 grupos:


Ondas internas y

Ondas superficiales.

• Ondas Primarias “P” o de Compresión, estas se propagan dentro de los materiales, produciendo alternativamente compresiones y rarefacciones y dando lugar al movimiento de la partícula en la dirección de la propagación de la onda. Son más rápidas y producen cambios de volumen, pero no de forma, en el material donde se propagan.



A.A. ONDAS INTERNASONDAS INTERNAS

E(1-E(1-νν))δδmm (1+(1+νν) (1-2) (1-2νν))

Vp = Vp = √√

Vp = Velocidad de Onda P (m/s).E = Módulo de Young (Mpa).δδm m = Densidad del medio (ton/m3).νν = Módulo de Poisson.

• Ondas Transversales o de Cizallamiento “S”, que dan lugar a un movimiento de las partículas perpendicular a la dirección de propagación de la onda. La velocidad de las ondas “S” está comprendida entre la de las ondas “P” y las ondas superficiales. Los materiales a causa de estas ondas experimentan cambios en forma pero no en volumen.



A.A. ONDAS INTERNASONDAS INTERNAS

Vs ≈ Vp/1.73

• Las ondas superficiales que se generan normalmente en las voladuras de rocas son: las ondas Rayleigh “R” y las ondas Love.

• Las Ondas “R” imprimen a las partículas un movimiento según una trayectoria elíptica con un sentido contrario al de la propagación de la onda. Vr = 0.9 Vs

• Las Ondas Love, más rápidas que las ondas “R”, dan lugar a movimientos de partículas en dirección transversal al de la propagación.



B.B. ONDAS SUPERFICIALESONDAS SUPERFICIALES

2. PARAMETROS DE LAS ONDAS

Movimiento Movimiento ondulatorio sinusoidalondulatorio sinusoidal

El paso de una onda sísmica por un medio rocoso produce en cada punto de éste un movimiento que se conoce por vibración.Una simplificación para el estudio de las vibraciones generadas por las voladuras consiste en considerar éstas como ondas de tipo sinusoidal.


• Amplitud (A): Desplazamiento máximo de un punto desde su posición de reposo.

• Velocidad de partícula (v): Velocidad a la que se desplaza el punto.

• Aceleración (a): Ritmo de cambio de la velocidad.

• Frecuencia (f): Número completo de oscilaciones o ciclos por segundo. La frecuencia es inversa del periodo “Ts”.

2. PARAMETROS DE LAS ONDAS


• La densidad de energía en la propagación de los pulsos generados por la detonación de una carga de explosivo, disminuye conforme las ondas encuentran o afectan a mayores volúmenes de roca.

• En un medio homogéneo, elástico e isótropo, la amplitud cae debido a la atenuación , siendo su caída, para los distintos tipos de ondas dominantes proporcional a:

• “1/DS” para ondas internas en un medio (semi) infinito.

3. ATENUACION GEOMETRICA


• “1/DS0.5” para ondas Rayleigh

• “1/DS2” para ondas internas propagándose a lo largo de una superficie libre.

• Donde “DS” es la distancia desde la fuente sísmica (Richart at.al. 1970).

3. ATENUACION GEOMETRICA


• Los macizos rocosos no constituyen para la propagación de las vibraciones un medio elástico. Isótropo y homogéneo. Por el contrario, aparecen numerosos efectos inelásticos que provocan una pérdida de energía durante la propagación de las ondas, que se suma a la debida a la atenuación geométrica.

4. AMORTIGUACION INELASTICA


• Son numerosas las causas de la atenuación inelástica, teniendo cada una de ellas diferentes grados de influencia:

• Disipación en matriz inelástica.• Atenuación en rocas saturadas.• Flujo en el interior de las grietas.• Reflexión en rocas porosas o grandes huecos.• Absorción de energía en sistemas que experimentan

cambios de fase, etc.

4. AMORTIGUACION INELASTICA


• La interacción de las ondas sísmicas en el tiempo y en el espacio, puede dar lugar a una concentración o focalización, proporcionando valores de coeficientes de atenuación mayores o menores que los teóricamente calculados.

• La topografía y la geometría de las formaciones geológicas pueden conducir a la reflexión y concentración de frentes de ondas en determinados puntos.

5. INTERACCION DE LAS ONDAS ELASTICAS


MODELOS UTILIZADOS PARA MODELOS UTILIZADOS PARA ESTIMAR LA PROPAGACION ESTIMAR LA PROPAGACION

DE VIBRACIONES EN UN DE VIBRACIONES EN UN MEDIO ROCOSOMEDIO ROCOSO

((EJEMPLO))

• Para realizar un estudio de vibraciones es preciso disponer de adecuados instrumentos, que suelen estar constituidos por:

• Una cadena de medida para la detección y registro de las vibraciones, y una cadena de tratamiento, para el análisis de las señales registradas.

INSTRUMENTACION DE INSTRUMENTACION DE REGISTRO Y ANALISIS DE REGISTRO Y ANALISIS DE

VIBRACIONESVIBRACIONES

SECUENCIA DE OBTENCIÓN DE SECUENCIA DE OBTENCIÓN DE REGISTROSREGISTROS

Voladura

Sismógrafos

Sismogramas

FAMESA cuenta para el monitoreo de FAMESA cuenta para el monitoreo de Vibraciones un Sismógrafo de Suma de Vibraciones un Sismógrafo de Suma de

Vectores de Marca White, Modelo Vectores de Marca White, Modelo Miniseis IIMiniseis II

ALTERNATIVAS PARA LA ALTERNATIVAS PARA LA REDUCCION DE VIBRACIONESREDUCCION DE VIBRACIONES

1. Precorte

2. Trim Blasting

3. Reducción de cargas

4. Fulminante electrónico

GEÓFONOSGEÓFONOS

PRECORTEPRECORTEVOLADURA DE PRODUCCIÓNVOLADURA DE PRODUCCIÓN

1.- MONITOREO Y ANALISIS DE 1.- MONITOREO Y ANALISIS DE VIBRACIONES EN PRECORTEVIBRACIONES EN PRECORTE

Carga Lineal Desacoplada

Famecorte S

de preferencia, sin taco

Contorno de daño

Zona fragmentada

CARGUÍO DEL FAMECORTE S

TALADROS CON UNA SOLA COLUMNA SIN “TACO”

TALADROS CON UNA COLUMNA CON “TACO”

Taladros una columna sin taco

Talud obtenido con el “precorte” efectuado con el FAMECORTE S

2.- VOLADURA CON TRIM BLASTING

Cresta

Pared Final Pared Final del bancodel banco

Cresta Futura

Piso del Siguiente Banco

Toe

Escala Aproximada (m)

15 - 20 30 - 605 - 78 6 8 8 8

PrecortePrecorteBuffer

Detalle del “Trim Blasting”

Cresta

Toe

Buffer 1: Columna Completa

Buffer 2: Carga de Fondo,generalmente Anfo,

y Taco de Aire

(Ambos en Diámetro Intermedio,entre 6 1/2 y 8 “, sin subdrilling)

Precorte: Carga Desacoplada(Famecorte S) en Perforación de Pequeño Diámetro (4 1/2 - 6 1/2 “)

Taco Inerte

Taco de Aire

Explosivo

Bolsa de Aire

3A.- USO DE 3A.- USO DE TACO DE TACO DE

AIREAIRE

3A.- EFECTO DEL TACO DE AIRE

Taco

Taco de Aire

Contorno de daño

Zona fragmentada

4.- FULMINANTE 4.- FULMINANTE ELECTRONICOELECTRONICO

OTROS SERVICIOS DE OTROS SERVICIOS DE INSTRUMENTACIÓNINSTRUMENTACIÓNEX PLO S IV O S S . A .C .

VODVOD

CURVA DE DISTRIBUCION GRANULOMETRICA

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 10 100 1000Tamaño [mm]

Po

rcen

taje

Acu

mu

lad

o P

asan

te

Curva de Ajuste Datos_Reales

ANALISIS FOTOGRAFICOS DE ANALISIS FOTOGRAFICOS DE GRANULOMETRIAGRANULOMETRIA

1.-1.- 2.-2.-

3.-3.- 4.-4.-

PRUEBAS DE CAMPOPRUEBAS DE CAMPO

I T E M

Lote: 6513 Lote: 5553 Lote:7030Lote: 7031

FANEL DUAL 1000/17 ms FANEL DUAL 1000/25 ms CTD CTD

1000 17 1000 25 65 109

1 969.0 17.0 1001.1 26.6 66.0 108.7

2 967.8 16.4 1008.2 24.3 66.9 111.4

3 966.8 16.2 997.4 24.3 68.2 108.0

4 964.7 17.4 1013.5 24.4

5 966.0 16.8 1009.2 25.2

Promedio 966.9 16.8 1005.9 25.0 67.0 109.4

Desv. Estan. 1.6 0.5 6.5 1.0 1.1 1.8

Dispersión 0.17% 2.85% 0.65% 3.97% 1.61% 1.64%

MEDICION DE DISPERSIONESMEDICION DE DISPERSIONES

1.-1.-

3.-3.-

2.-2.-

MACROHESSMACROHESS

1.-1.-

3.-3.-

2.-2.-

DENSIDADESDENSIDADES

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