LA GEOMECNICA EN LA PERFORACIN Y VOLADURA DE ROCASPresentado en VIII Seminario Internacional de Explosivos - INDUMIL noviembre de 2009, BOGOTPublicado con autorizacin del autor

LVARO CORREA ARROYAVEIngeniero de minas y metalurgia Doctor Ingeniero Mecnica de Rocas Especialista en Tcnicas Modernas de Voladura Profesor Escuela de Ingenieros Militares Profesor Universidad Santo Toms Profesor Pensionado Universidad Nacional de Colombia Gerente Tcnico PERVOL S.A.

INTRODUCCIN En el diseo de voladuras, las caractersticas fsicas, qumicas y mecnicas de las rocas, (entre otras de sus propiedades) as como la estratigrafa y los rasgos estructurales del macizo rocoso, juegan un papel importante pues determinan la geometra de la voladura, el consumo especfico y la regulacin de los tiempos de retardo tanto en voladuras a cielo abierto como subterrneas, pero tambin el consumo de aceros de perforacin y las molestias sobre la comunidad y el entorno. As lo ha dejado muy explcito el Instituto Tecnolgico Geominero de Espaa en su excelente obra Manual de Perforacin y Voladura de Rocas, en especial en sus captulos 17 y 18 dedicados al estudio de las rocas y de los macizos rocosos respectivamente. Los elementos bsicos de geologa que tienen incidencia en la perforacin y voladura son: 1) las caractersticas fsicas y mecnicas de las rocas que conforman el macizo rocoso, 2) la estratigrafa, esto es, la presencia de estratos menos resistentes, y eventualmente ms delgados, y presencia de cavidades y 3) los rasgos estructurales, esto es, la presencia de planos de estratificacin, diaclasas principales y secundarias, en lo que tiene que ver fundamentalmente con sus actitudes. Otro parmetro que debe tenerse en cuenta en un diseo racional, est obviamente, asociado con los objetivos de la voladura; este otro actor puede conllevar a modificar los diseos en virtud a favorecer la granulometra a lograr, as como a evitar la dilucin del material a remover. El principio de una buena voladura se fundamenta en una buena supervisin al proceso de perforacin.

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1.- CARACTERSTICAS FSICO-MECNICAS DE LAS ROCAS Los materiales que constituyen los macizos rocosos poseen ciertas caractersticas ingenieriles funcin de su origen y de los procesos geolgicos posteriores a los que han podido estar sometidos. Es as como se tienen las rocas gneas, sedimentarias y metamrficas. Rocas gneas Las masas de roca gnea homognea son normalmente densas y la fragmentacin uniforme resultante de un procedimiento de voladura y una malla determinada, puede ser menos problemtica que la que se tendra en masas rocosas sedimentarias o metamrficas. Los sistemas de diaclasa que existen normalmente, exhibiendo direccin e inclinacin con una orientacin preferencial especfica (diaclasas de enfriamiento) influencian tanto la fragmentacin como las condiciones de regularidad del frente y el fracturamiento del macizo rocoso detrs de la ltima lnea volada. En las rocas de origen volcnico, tambin es frecuente encontrar un gran nmero de cavidades formadas durante su enfriamiento. Rocas Sedimentarias Las rocas sedimentarias presentan una variacin ms amplia de problemas de voladura, por ejemplo, las calizas inorgnicas de origen qumico son ms densas y usualmente algo ms frgiles que las orgnicas formadas a partir de conchas y esqueletos de organismos vivos, ms porosas y resilientes que las primeras; esto sugiere que para estos casos, puede dar mejor resultado en la voladura un agente de voladura de baja velocidad que dilate la roca, que uno con una velocidad mayor. La consistencia del material cementante en los aglomerados, areniscas y pizarras, influye notoriamente en la voladura y fragmentacin de estas rocas. Rocas Metamrficas El bandeamiento en una roca metamrfica tal como el gneiss, tiene una influencia preponderante en la fragmentacin. Las voladuras perpendiculares al bandeamiento producirn resultados diferentes a las realizadas paralelas a dicha direccin. Propiedades fsicas y mecnicas de las rocas El anlisis que se presenta a continuacin es un resumen extrado del manual de perforacin y voladuras de rocas del ITGM. Las propiedades fsicas y mecnicas ms importantes de las rocas que influyen sobre el buen diseo de una voladura, son:

La densidad Las resistencias dinmicas La porosidad La friccin interna La conductividad

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La velocidad de la onda longitudinal El mdulo de elasticidad La relacin de Poisson El ndice de expansin

La densidad. En general, las rocas de baja densidad se deforman y rompen con facilidad, requiriendo un factor de energa relativamente bajo, en tanto que las rocas ms densas demandan de una mayor cantidad de energa para lograr una fragmentacin satisfactoria as como un buen desplazamiento y esponjamiento del material volado. En rocas con alta densidad, para que el empuje impartido por los gases sea el adecuado, deben tomarse las siguientes precauciones: aumentar el dimetro de perforacin para elevar de esta manera la presin de barreno, reducir el esquema y modificar la secuencia de encendido, mejorar la efectividad del retaque con la finalidad de aumentar el tiempo de actuacin de los gases y obligarlos a que escapen por el frente libre y no por el mismo barreno y utilizar explosivos con una alta energa de empuje. Este parmetro es quiz el ms utilizado en las expresiones que permiten determinar parmetros geomtricos tales como el burden, pero tambin en la determinacin de la impedancia. Las resistencias estticas. Las resistencias estticas a la compresin y a la traccin, se utilizan como parmetros indicativos de la aptitud de la roca a la voladura. De esta forma, Hino, 1959, defini el ndice de volabilidad, como la relacin resistencia a la compresin / resistencia a la traccin, de modo que un mayor valor de esta relacin estara asociado con una mayor facilidad para fragmentar la roca. Conviene igualmente determinar las resistencias a la compresin triaxial estticas para tener una idea del incremento de esfuerzo de la roca producto de dicho confinamiento. Estos parmetros ingresan en un sinnmero de formulaciones asociadas con el consumo de aceros de perforacin y con el consumo especfico, entre otros de los parmetros ms importantes de la voladura. En la Figura 1 se muestran algunos de los parmetros mecnicos extrados de un ensayo de resistencia a la compresin simple sobre un ncleo de caliza.

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800,00

c,

CV/V

E s fu e r z o a l a c o m p r e s i n s i m p l e kg /cm

Fisuracin Inestable Fisuracin Estable

700,00 600,00 500,00 400,00

l F C / 2RDegradacin Post-ruptura

Deformacin Elstica Lineal

Et300,00 200,00 100,00

E50% C (E50)

RK El Resistencia residual2000 3000-6

sCierre de Vacios-3000 -2000

0,00 -4000 -1000 0 1000 4000 5000 6000 7000 8000

t

t

l

Deformacin 10 Defor. Trans.

lRelac. Volum.

Defor. Long

Figura 1. Curvas Esfuerzo de compresin axial deformacin unitaria axial deformacin unitaria diametral deformacin unitaria volumtrica. Donde: s f l c R E Ei K Et R l t l, t V/V Lmite de la fase de cierre de fisuras Inicio de la fisuracin estable (Griffith) Inicio de la fisuracin inestable Resistencia a la compresin simple Resistencia residual Mdulo de deformacin tangente Mdulo de Young en el origen Pendiente de la fase lineal de la deformacin volumtrica Mdulo de deformacin lateral Umbral de dilatancia Deformacin unitaria axial Deformacin unitaria lateral Deformaciones residuales Deformacin unitaria volumtrica

Amerita aqu precisar los conceptos de tenacidad, resiliencia y rigidez, los cuales se extraen de una curva esfuerzo-deformacin como la indicada en la figura anterior.

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Tenacidad

La tenacidad refleja fundamentalmente la capacidad de un material para absorber energa durante la deformacin plstica. En una prueba esttica, esta energa se mide por el rea bajo la curva esfuerzo - deformacin, la cual representa el trabajo requerido para fallar la muestra. El mdulo de tenacidad, es la mxima cantidad de energa de deformacin por unidad de volumen que el material puede absorber sin fracturarse; se expresa en kg.cm/cm. El mdulo de tenacidad, Mt, puede estimarse, para materiales que tienen un comportamiento parablico en la curva esfuerzo - deformacin, como las rocas, mediante la expresin:

Mt =donde mdulo de tenacidad Mt: esfuerzo de la compresin simple c: f: deformacin unitaria en la falla

2 c f 3

Puede deducirse entonces, que los materiales con una alta tenacidad deben ser muy resistentes y exhibir una alta ductilidad. Los materiales frgiles, por su parte, usualmente tienen baja tenacidad dado que slo muestran una pequea deformacin plstica antes de la fractura (Jastrzebski, 1959). Un mtodo simple para medir la tenacidad al impacto de la roca, es el que se realiza en la mquina de impacto Page. La prueba de impacto se realiza sobre ncleos de roca intacta cuidadosamente preparados, de 25 mm de altura por 25 mm de dimetro, relacin H/D = 1. Una masa de 2 kg cae verticalmente entre unas guas paralelas, hasta un mbolo terminado en forma esfrica que pesa 1kg el cual permanece en contacto con el ncleo. La altura de cada del primer golpe es de 1cm y cada golpe sucesivo posterior, va aumentando 1 cm en altura. La altura en centmetros del golpe que produzca la ruptura del material, se registra como el valor de su tenacidad. El mtodo estndar para determinar la tenacidad de la roca, se presenta con la designacin ASTM: D 3-18. Obert et al. (1946) utilizaron este procedimiento, con ligeras modificaciones, para estandarizar las pruebas sobre material rocoso para minera. La tenacidad de la roca tambin correlaciona con su dureza de rebote.

Resiliencia

La capacidad de un material para absorber energa en el rango elstico, se conoce como su resiliencia (Jastrzebski, 1959). El mdulo de resiliencia es la mxima cantidad de energa de deformacin por unidad de volumen que el material puede absorber hasta el

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lmite elstico; se expresa en kg.cm/cm y est representado por el rea bajo la curva, esfuerzo - deformacin, en la zona elstica. Las dos propiedades, esfuerzo en el lmite elstico y elasticidad, que al parecer influyen, en gran parte, sobre la resistencia a la compresin, intervienen en la determinacin del mdulo de resiliencia, tal como se aprecia en la siguiente expresin:

Mr =donde Mr : l : E: l :

l22E

mdulo de resiliencia esfuerzo en el lmite elstico mdulo de deformacin deformacin unitario en el lmite elstico

Esta ecuacin indica que para un alto mdulo de resiliencia, el material debera exhibir un alto esfuerzo en el lmite elstico. El trmino resiliencia no debe confundirse con el mdulo de resiliencia. Dentro del lmite proporcional, la resiliencia es igual al trabajo externo realizado sobre un material durante la deformacin. De este modo, la resiliencia total de un material es el producto de su volumen por el mdulo de resiliencia (Eshbach, 1952). Una baja resiliencia es conveniente para una buena amortiguacin de la amplitud de las ondas, y una alta resiliencia para la baja generacin de calor interno (Richards, 1961). Los valores del mdulo de resiliencia en compresin, de algunas rocas tpicas ensayadas por la oficina de Minas de los Estados Unidos (Windes, 1949), se indican en la Tabla 1. Tabla 1. Mdulo de resiliencia de algunas rocas tpicas Roca Mr (in-lb/in) Jaspilita 448,0 Hematita 134,0 Anfibolita 124,5 Mrmol 66,3 Arena 62,5 Concreto 5,0 El concepto de energa de deformacin expresado por el Mr, muestra claramente la influencia de las dos variables, esfuerzo y elasticidad, sobre la falla del material. Aunque el mrmol y la arenisca tienen aproximadamente el mismo mdulo de resiliencia, es evidente que los minerales que conforman el mrmol ofrecen una mayor resistencia a la carga (una deformacin ms baja) no obstante, la energa total en ambos casos es tericamente la misma. Cabe anotar, adems, que slo en casos excepcionales (en la determinacin esttica del mdulo de elasticidad del material), existen relaciones lineales entre el esfuerzo y la deformacin (Wuerker, 1953).

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Rigidez

La rigidez est caracterizada por el mdulo de deformacin o mdulo de elasticidad, el cual es el factor de proporcionalidad entre el esfuerzo normal y la deformacin relativa que sufre la muestra de roca; su valor en la mayora de las rocas vara entre 0,3 x 105 y 1,7 x 105 MPa, dependiendo fundamentalmente de la composicin mineralgica, la porosidad, el tipo de deformacin, y la magnitud de la carga aplicada. Tambin influye en dicho parmetro la estructura de la roca, ya que el mdulo de deformacin en la direccin de la estratificacin o la esquistosidad es generalmente mayor que en la direccin perpendicular a sta. El coeficiente de poisson, por su parte, es el factor de proporcionalidad entre las deformaciones tranversales relativas y las deformaciones longitudinales. Para la mayora de las rocas y minerales est comprendido entre 0,2 y 0,4 y slo el cuarzo exhibe un coeficiente de poisson anormalmente bajo, alrededor de 0,07. Las resistencias dinmicas. El tratamiento racional de los problemas reales obliga a considerar las resistencias dinmicas. Las resistencias de las rocas aumentan con la velocidad de carga pudiendo llegar en algunos casos a alcanzar valores entre 5 y 13 veces superiores a las estticas. Es por ello que puede ser bastante conveniente, determinar en el laboratorio las resistencias al impacto, (a fin de determinar, por ejemplo, el ndice de impacto, relacin trabajo especfico de impacto a resistencia a la compresin simple) a fin de seleccionar explosivos que desarrollen en las paredes del barreno, esfuerzos inferiores o iguales a la resistencia a la compresin dinmica de la roca o provocar una variacin en la curva Presin-Tiempo, mediante el desacoplamiento de la carga dentro del barreno. La comparacin entre algunas de las propiedades estticas y dinmicas de las rocas, se presenta en la Tabla 2.

Tabla 2. Comparacin de algunas propiedades dinmicas y estticas de algunos tipos de rocas, segn Coates. Arenisca A Arenisca B

Ensayos Dinmicos

Mrmol

Granito

Velocidad de aplicacin del esfuerzo, 1,7 x 106 1,4 x 106 kg/cm/seg Esfuerzo de rotura, kg/cm 215 220 Deformacin en la falla, d, micras 490 610 E, kg/cm 51 x 104 64 x 104Ensayos Estticos Mrmol Arenisca A 1,8

1,5 x 106 190 460 40 x 104Arenisca B 0,5

1,5 x 106 170 630 30 x 104Granito

Velocidad de aplicacin del esfuerzo,

1,1

2,2

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kg/cm/seg Esfuerzo de rotura, kg/cm Deformacin en la falla, d, micras E, kg/cm

53 145 47 x 104

80 410 19 x 104

29 370 10 x 104

53 510 12 x 104

De la anterior tabla se desprende que para una velocidad de aplicacin de la carga de un milln de veces superior, es decir, ensayos de impacto (o de corta duracin), 1.- Se obtiene una resistencia entre 2,75 y 6,55 veces superior a la esttica, segn el tipo de roca. 2.- El mdulo de deformacin, aumenta entre 1,08 y 4,00 veces, segn el tipo de roca. Lo anterior que indica, entonces que la roca se hace ms resistente y ms deformable. Las anteriores consideraciones ponen de manifiesto la necesidad de hacer intervenir en los clculos para voladura el efecto de las propiedades dinmicas en lugar de las estticas, en diseos de voladura. Segn esto, entonces, la recomendacin es, en principio, tomar un valor de por lo menos 5 veces la resistencia a la compresin simple como su equivalente en resistencia a la compresin simple dinmica, en tanto que su mdulo de deformacin, pudiera ser del orden de 2 veces el correspondiente al mdulo en compresin simple. Con estas consideraciones, puede entrarse ahora a deducir la tenacidad y la resiliencia dinmicas, fundamentales para el clculo energtico de las voladuras. La porosidad. Se trata de la porosidad intergranular, primaria o de formacin, cuya distribucin en el macizo pudiera considerarse uniforme y que genera efectos como la atenuacin de la energa de la onda de choque y la reduccin de la resistencia dinmica a la compresin y, consecuentemente, un incremento de la trituracin y porcentaje de finos. El trabajo de fragmentacin en rocas muy porosas, se realiza, casi en su totalidad, por la energa de empuje, lo que obliga a utilizar explosivos con una elevada energa de empuje, sacrificando la energa de tensin, mediante el desacoplamiento de las cargas y a retener los gases de las voladuras a alta presin con un adecuado dimensionamiento de la longitud y tipo de retaque. La Capacidad de Amortiguacin Especfica. Puesto que las rocas no constituyen un medio elstico, parte de la energa de la onda de tensin que se propaga a travs de l, se convierte en calor debido a la Capacidad de Amortiguacin Especfica, CAE, la cual determina la disponibilidad de las rocas para atenuar la onda de tensin generada por la detonacin. Este parmetro vara de un tipo de roca a otro, tomando valores de 0,02 a 0,06 para los granitos, hasta 0,07 a 0,33 para las areniscas; esto es, aumenta con la porosidad, permeabilidad, diaclasas, contenido de humedad y, por supuesto, con los espesores y el grado de alteracin debido a la meteorizacin. La fracturacin debida a la onda de tensin, aumenta conforme disminuye CAE. As por ejemplo, los hidrogeles son ms efectivos en formaciones duras y cristalinas que en materiales blandos y descompuestos; en estos ltimos es ms adecuado el ANFO a pesar de su menor energa de tensin.

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La conductividad. Fugas o derivaciones de corriente pueden presentarse cuando los detonadores se colocan dentro de barrenos en rocas de cierta conductividad, como los sulfuros complejos o las magnetitas, y esencialmente cuando las rocas son abrasivas y existe agua en el entorno de la pega. La velocidad de la onda longitudinal. La velocidad de la onda longitudinal es la velocidad a la cual la roca transmitir las ondas de compresin: mientras ms densa y homognea sea la roca, ms eficientemente se propagarn las ondas. La velocidad de detonacin del explosivo requerido, se determina mediante las caractersticas de propagacin de las ondas en la roca, estando en una relacin directa. Este parmetro es vital en el buen manejo de una voladura, pues determina no slo la impedancia del terreno sino tambin, es un parmetro que permite determinar la vibracin que producir el explosivo en el terreno. El mdulo de elasticidad. Es la medida de la rigidez de la roca; esto es, la medida de la capacidad que tiene la roca a contrarrestar o resistir la deformacin. Mientras mayor sea este mdulo, mayor oposicin presentar la roca para ser fracturada. La relacin de Poisson. Mide el grado en el que un material dilata o comprime su rea de seccin transversal perpendicular al esfuerzo. La relacin de Poisson no tiene ninguna influencia en la determinacin de las caractersticas de la voladura de las rocas excepto que una relacin menor est asociada con la mayor propensin de la roca al prefracturaminento (presplitting). El ndice de expansin. Se refiere al aumento de volumen que ocupara un metro cbico de roca en banco, al ser volado. Depende de la granulometra y de su grado de acomodacin. Las anteriores, y otras propiedades de las rocas influencian tanto la perforacin como la voladura, lo cual es bien conocido por los expertos en explosivos, mas lo que se percibe bastante claramente es que aun as se ignoran, lo cual puede dar lugar a voladuras menos eficientes. Dureza y penetracin La fracturacin eficiente y econmica del material rocoso, se rige en gran parte por la aplicacin exitosa de taladros perforadores, ya sean de percusin o rotacin. A causa de las muchas variables involucradas, este tema ha sido algo difcil de interpretar, por la diversidad de reglas que sugieren la cantidad de energa que debe utilizarse para perforar cualquier banco de roca en particular. Las llamadas rocas duras han sido perforadas fcilmente, en comparacin con las rocas menos duras, por sus caractersticas de fragilidad y desmoronamiento. Por ejemplo, una roca gnea dura o una metamrfica, puede ser perforada con mayor eficiencia que una caliza compacta (Shepherd, 1950).

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La palabra dureza como se emplea en la industria de la perforacin, tiene una variedad de significados que dependen incluso del mtodo de perforacin utilizado. El trmino, roca dura, se usa generalmente para describir una formacin geolgica que por alguna razn es difcil de perforar. En la perforacin con broca de diamantes, la dureza se interpreta como la resistencia a la abrasin. En la perforacin por percusin, el trmino implica la resistencia al impacto, mientras que con las perforadoras de rotacin, la dureza se considera anloga al esfuerzo de compresin. Aunque stas se consideren variables enfrentadas para los diferentes tipos de roca, el trmino dureza se aplica indiscriminadamente por la industria, como la resistencia de la roca a la penetracin por cualquier tipo de tcnica de perforacin (Mather, 1951). El volumen de material perforado con taladros neumticos, en la industria minera, petrolera y de la construccin, ha dado excelentes resultados. Por tanto, el problema del aumento en la eficiencia de la perforacin toma una gran importancia; ste depende de las propiedades mecnicas del material rocoso, las herramientas de perforacin y el operario encargado (Protodyakonov, 1963). Numerosas investigaciones han sido llevadas a cabo por los fabricantes de equipos de perforacin, acero para taladros, brocas y otros componentes, con el fin de determinar los tipos y especificaciones ms adecuadas para perforar diferentes estratos. La mayora de los investigadores aceptan que, aunque un conocimiento de las propiedades fsicas es til, en general, stas no son una gua segura para definir la perforabilidad. Rollow (1963) describe una prueba de laboratorio en la cual, la perforabilidad puede predecirse sobre la base de perforar pequeas muestras con una micro broca de un dimetro de 1. Al perforar las muestras de la formacin rocosa con esta microbroca y al medir la tasa de perforacin y el desgaste de los dientes, pueden establecerse estimaciones para el desempeo de una broca de mayores dimensiones. El primero en reportar el uso de la microbroca fue Scott (1946) en la que correlaciona la perforabilidad de la roca con el esfuerzo a la trituracin. Head (1951) utiliz una microbroca para establecer una clasificacin de perforabilidad para 15 formaciones geolgicas diferentes. Mather (1951) indica que la causa principal de confusin, en la literatura de perforacin de rocas, puede atribuirse a las diferentes definiciones del concepto de dureza de las rocas y sus promedios. Aunque ninguna de las investigaciones han estado directamente relacionadas con un estudio de propiedades de dureza, de por s el uso de microbrocas, involucra los tres tipos de dureza, es decir, dureza a la abrasin, dureza a la penetracin y dureza dinmica o de impacto. Otros investigadores han indicado que la dureza est estrechamente relacionada con la perforabilidad y han hecho intentos por descubrir dicha relacin. Protodyakonov (1963) estableci que es esencial conocer la dureza, plasticidad (deformabilidad) y abrasividad, con el fin de caracterizar las propiedades mecnicas de perforacin de las rocas. Para determinar la resistencia de las rocas, describi una tcnica de trituracin de la roca, en la cual se obtiene un coeficiente emprico de esfuerzo a la compresin. Adems estim la deformacin a partir de las pruebas de dureza Shore. La dureza y abrasividad se evalan

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con un ensayo muy elaborado, de perforacin. Head (1951) realiz mediciones usando la prueba Knoop, con el fin de determinar la relacin entre la perforabilidad de siete diferentes formaciones geolgicas y la dureza de las muestras de esas formaciones, y concluy que no existe una relacin consistente entre la dureza y la perforabilidad de estas formaciones; mas sin embargo, concluy en que la perforabilidad se relaciona ms con la forma en que los cristales duros se encuentran cementados. Las pruebas de dureza de rebote tambin han sido utilizadas para determinar sus aplicaciones como un indicador de perforabilidad. Wolansky (1949) hizo uso del esclermetro en Alemania para obtener valores seguros y comparables de dureza de las rocas, en particular, con respecto a la perforabilidad. Los ensayos concluyen que el esclermetro puede ser til para indicar la perforabilidad, si se tienen en cuenta los valores comparativos, antes que los nmeros absolutos.

1.

Dureza Total

Deere (1970) sugiri el uso de una combinacin entre resistencia y abrasividad de la roca para la previsin de la penetracin de tuneladoras y llam Dureza Total (HT) al parmetro

HT = H Rdonde HT : dureza total HR : dureza de rebote al martillo Schmidt HA : abrasividad Taber Modificado

HA

Nelson et al. (1983) han estudiado cuatro tneles y encontraron una excelente correlacin entre el ndice de penetracin y la dureza total

I d = 5,95 + 0,18H Tdonde Id : ndice de penetracin, kN/mm HT : dureza total Una forma de definir el ndice de penetracin, propuesta por Nelson (1983), es utilizar la dureza Schmidt, dada la facilidad de determinacin de este parmetro. La correlacin propuesta por este investigador se presenta en la siguiente expresin:

I d = 0,43H R 3,00En la Figura 2, se muestra alguna informacin que define el valor medio y el rango de variacin de la dureza total, HT, definidos por TARKOY, para algunos tipos de roca.

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2.- ESTRATIGRAFA Las voladuras en zonas en donde se produce un cambio litolgico drstico y, consecuentemente, una variacin de las propiedades de las rocas, obligan a una reconsideracin de los diseos. Deben colocarse, por ejemplo, espaciadores en arcilla o gravilla entre la carga del barreno en donde la presencia de lodolitas, por ejemplo, indica que es posible una explosin prematura. A menudo, estratos de lutita o arcillolita muy blandos, se encuentran concentrados en una pequea longitud del barreno, los cuales deben ser tratados de la misma manera a fin de prevenir una prdida de energa del explosivo. Los yacimientos estratiformes semi horizontales que presentan algn horizonte muy resistente, pueden conducir a un tipo de voladuras particular en los que las cargas se alojen perfectamente confinadas, a la altura de tales horizontes. Igualmente, es recomendable que la localizacin de los multiplicadores en las columnas de explosivo coincida con los niveles ms resistentes a fin de aprovechar al mximo la energa de tensin producida por dicho explosivo.ROCAS Y SUS DUREZAS MEDIAS200 190 180 Basalto, Andesitas y Diabasas 170 160 150 140 130 120 Diabasa Pegmatita Granito y Basalto Cuarcita Rocas y sus intervalos de dureza conocidos Rocas gneas Rocas Metamrficas Areniscas endurecidas Ortocuarcita Cuarcita Rocas Sedimentarias

Pegmatitas

Esquistos micceos

Granito

Gneis

HT = HR HA

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Pizarras de Lewis Pizarras y Areniscas Esquisto de Filadelfia Caliza de Alemania Limolita de New Jersey Calizas Dolomticas Esquistos de Manhattan

Valor medio Intervalo normal Intervalo anormal Areniscas competentes

Calizas y Dolomitas

Figura 2. Rangos de valores de dureza total para algunas rocas

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Areniscas friables

Pizarra y limolita

Cuando se encuentren en contacto dos materiales de resistencias muy diferentes, como por ejemplo una lutita fsil en contacto con una arenisca muy competente, y si los barrenos atraviesan dichas formaciones, tendr lugar una gran prdida de energa asociada con la cada de presin y escape de los gases al producirse deformaciones rpidas de dichos materiales menos resistentes y, por consiguiente, se obtendr una mala fragmentacin (esta situacin, que de hecho es mucho ms comn de lo que se pueda pensar, es un buen ejemplo para llamar la atencin sobre el seguimiento que debe hacerse durante la perforacin). Para aumentar el rendimiento de las voladuras en estos casos, se aconseja: retacar con material adecuado aquellas zonas del barreno que estn en contacto con el material menos resistente o prximo a ellas, emplear cargas de explosivo totalmente acopladas a la roca competente con una gran velocidad de detonacin y una relacin ET / EB alta, colocar los multiplicadores en el punto medio de la roca dura para incrementar la resultante de la onda de tensin que acta a ambos lados y evitar el escape prematuro de los gases a la atmsfera asegurando que tanto la longitud de retaque como la dimensin del burden sean las correctas. Si los materiales de los estratos son diferentes en sus respuestas a la voladura, el piso del banco puede llegar a ser muy irregular; igualmente, es probable que se presenten fracturas terminales si el disparo se inicia en la direccin equivocada. En las Figuras 3, 4, 5 y 6, se ilustran algunas de estas situaciones en macizos rocosos heterogneos.

Figura 3. Esquema de perforacin en un macizo heterogneo.

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Figura 4. Perfil de terreno mostrando una estratigrafa bastante inclinada y diferentes espesores de banco. Supngase que el objetivo sea beneficiar el banco oscuro. En estas figuras, los entramados hacen alusin a las diferentes caractersticas tanto fsicas como mecnicas, tales como: localizacin del estrato con respecto a la superficie, espesor del mismo, peso unitario, estado de diaclasamiento, resistencia a la compresin simple y mdulo de Young, entre otros parmetros, as como los objetivos de la voladura.

Figura 5. En este caso, el banco a beneficiar es el que se encuentra debajo del estrato oscuro.

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Figura 6. En este caso, el estrato a beneficiar sera el que se encuentra inmediatamente encima del estrato en negro.

3.- RASGOS ESTRUCTURALES La caracterstica ms importante de todos los macizos rocosos es la presencia de discontinuidades; en efecto, todas las rocas en la naturaleza, as como todos los macizos rocosos, poseen algn grado de discontinuidad, microfisuras, macrofisuras, cavidades, etc. que influyen de manera decisiva en las propiedades fsicas y mecnicas de las rocas y los macizos, y, por consiguiente, en los resultados de las voladuras. Las superficies de discontinuidad en el macizo pueden ser de distintas clases: estratificacin, laminacin, foliacin primaria, esquistosidad, pizarrosidad, fracturas, juntas, etc. Dichas discontinuidades pueden estar abiertas, cerradas o rellenas, y por ende, exhibir diferentes grados de transmisin de la energa del explosivo. Los labios de estas discontinuidades representan superficies planas en donde se reflejan las ondas de choque atenuando y disipando la energa producida por el explosivo. La fragmentacin est influenciada por el espaciamiento entre barrenos, E, el espaciamiento entre discontinuidades, S, y el tamao mximo del bloque admisible, M. Especial cuidado debe prestarse cuando las discontinuidades son subverticales y la direccin de salida es normal a la de stas, pues es frecuente la sobreexcavacin detrs de la ltima fila de barrenos, lo cual obliga a una perforacin inclinada para mantener la dimensin del burden en la primera lnea.

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Cuando la estratificacin o los sistemas de diaclasas presentan un ngulo menor de 30, es recomendable que los barrenos sean normales a dichos planos con la finalidad de aumentar el rendimiento de las voladuras. Si se conoce la distribucin en planta del estado de diaclasamiento del macizo, debe tenerse en cuenta esta disposicin a fin de colocar correctamente los explosivos con los espaciamientos apropiados, en lugar de mantener un espaciamiento constante. En efecto, situaciones en las que las diaclasas se presentan en familias formando ngulos suplementarios, originan liberaciones desiguales de la energa de los explosivos, llegando la roca a fragmentarse excesivamente en las zonas con ngulos agudos y produciendo grandes bloques en las zonas con ngulos obtusos. Para evitar estos inconvenientes, que influyen muchas veces en la transmisin de importantes vibraciones al terreno, las cargas de explosivo deben colocarse preferentemente junto a zonas con ngulos obtusos y el espaciamiento entre barrenos debe ser paralelo a las direcciones de los planos de fractura. Adems de estos procedimientos, se recomienda una reprogramacin de las secuencias de encendido de las cargas, con la finalidad de crear la mxima superficie libre despus de cada detonacin, circunstancia que depende de la geometra de fracturacin del macizo rocoso. Cuando es posible modificar el dimetro de los barrenos, conviene utilizar dimetros ms pequeos al interior de zonas ms fracturadas, para controlar mejor la fragmentacin y los impactos ambientales resultantes. Las discontinuidades en el macizo rocoso tienen gran influencia sobre el diseo y ejecucin de las voladuras ya que pueden utilizarse como un indicativo preliminar de la fragmentacin: el espaciamiento entre discontinuidades, puede: aObligar a un espaciamiento menor entre barrenos con el fin de minimizar sus efectos adversos en la fragmentacin de la roca. b- Reducir los requerimientos de energa del explosivo para una buena fragmentacin. c- Permitir el empleo de explosivos con alta produccin de gases como el Anfo, para producir el desplazamiento del material durante la voladura. dEstablecer como clave de la fragmentacin y el control estructural, la orientacin del frente de explotacin respecto a la orientacin de las discontinuidades. Las Figuras 7 y 8 muestran la influencia del espaciamiento entre discontinuidades sobre la malla de perforacin.

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Figura 7. Espaciamiento reducido entre barrenos en macizos fracturados para una alta fragmentacin

Figura 8. Espaciamiento amplio entre barrenos en macizos fracturados para una baja fragmentacin

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La orientacin de las discontinuidades respecto al frente de explotacin, tambin tiene influencia en la eficiencia de la voladura, tal como se puede apreciar en las Figuras 9 y 10.

Figura 9. Familia de discontinuidades formando ngulos respecto de la cara libre De acuerdo con Lpez Jimeno, la disposicin de discontinuidades formando ngulos respecto a la superficie del frente libre, puede generar la produccin excesiva de bloques en la cara y una superficie irregular en el frente.

Figura 10. Familia de discontinuidades paralela a la cara libre En el caso en el que las discontinuidades se encuentren paralelas al frente de explotacin, se presenta un control estructural adecuado, una fragmentacin uniforme y una superficie plana en la cara, por lo que se recomienda como la mejor disposicin.

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Otras alternativas para implementar el control geoestructural, consisten en dotar a las voladuras de lneas de barrenos de precorte, las cuales reducen la probabilidad de sobrefracturacin del macizo remanente, aunque pueden ocasionar vibraciones excesivas. Las tendencias son, por tanto, utilizar patrones de voladura verstiles, que se adapten a las discontinuidades de los macizos, lo que demanda un previo conocimiento de stas. En una formacin con presencia de estratos inclinados, los barrenos deben perforarse en filas a fin de crear una cara orientada en la direccin de buzamiento de dichos estratos (es decir, normal a la direccin de los mismos). Este procedimiento incrementa igualmente la posibilidad de tener una roca fracturada ms all de los lmites de la ltima fila de barrenos, como en todos los casos, pero la parte superior posterior del ltimo plano de estratificacin se proyecta hacia afuera y la masa rocosa remanente no soportada es susceptible de caer por gravedad. La proyeccin contra el buzamiento, produce, por su parte, menos fracturamiento detrs de la ltima fila volada pero incrementa la posibilidad de un repi alto, un piso rugoso en el banco y una mayor altura que la pila de material volado normal. El burden se ver modificado por un factor de correccin dependiendo de si la proyeccin se hace a favor o en contra del buzamiento, as: para el primero, Kd = 1,18 y para el segundo, Kd = 0,95. El disparo normal a la direccin de los estratos no se debe llevar a cabo si existen mltiples plano de estratificacin que se presenten muy inclinados en el frente de arranque. Si la voladura bajo cualquiera de estas condiciones conduce a resultados desfavorables, puede ser necesario reorientar el frente a fin de sacar ventaja de geologas ms favorables; no obstante, si estos cambios no son posibles, la seleccin de los explosivos debe tomar en cuenta estos factores. Resulta una buena prctica orientar el frente paralelo a la direccin de un sistema de diaclasamiento principal, ya que en este caso la expansin de los gases producidos por la detonacin del barreno trabaja contra la roca que es ms propensa a fracturarse primero segn las diaclasas principales y subsecuentemente segn las diaclasas menores o secundarias. Las cavidades intersectadas por los barrenos, no slo dificultan la perforacin con la prdida de brocas, varillas y tiempos de retardo, sino incluso, la eficiencia de la voladura, especialmente cuando se utilizan explosivos a granel o bombeables. Si, por otro lado, los barrenos no intersectan las cavidades, el rendimiento de la voladura tambin disminuye debido a la prematura terminacin de las grietas radiales al ser interrumpidas, en su propagacin, por las cavidades existentes y la rpida cada de presin de los gases al

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intercomunicarse el barreno con las cavidades, y, como consecuencia, la interrupcin de la apertura de grietas radiales al escapar los gases hacia los espacios vacos. Otra de las caractersticas del macizo rocoso que influencian la voladura son, los esfuerzos in-situ; en este caso, el patrn de fracturas generado entorno a los barrenos, puede estar influenciado por la concentracin no uniforme de esfuerzos alrededor del mismo. En rocas masivas homogneas, las grietas que empiezan a propagarse radialmente desde los barrenos, tienden a seguir la direccin de los esfuerzos principales. Esto quiere decir, entonces, que despus de determinar la direccin de los esfuerzos principales, el frente de voladura debe orientarse en esa misma direccin. La presencia de agua, tambin tiene una importante influencia en el buen desempeo de las voladuras. Las rocas porosas y los macizos intensamente fracturados, cuando se encuentran saturados, presentan habitualmente ciertos problemas que obligan a seleccionar explosivos que no se alteren por el agua; adems dicha humedad incide sobre la prdida de barrenos por desplomes internos y dificulta la perforacin inclinada. Por otra parte, el agua afecta a las rocas y a los macizos rocosos ya que aumenta la velocidad de propagacin de las ondas elsticas en terrenos porosos y agrietados, reduce las resistencias de las rocas tanto a compresin como a traccin, al ser menor la friccin entre las partculas, y reduce la atenuacin de las ondas de choque intensificando los efectos de ruptura debidos a la energa de tensin. Finalmente, la temperatura del macizo rocoso, en particular en yacimientos que contienen piritas, hace que los agentes explosivos tipo Anfo reaccionen, igualmente exotrmicamente con estos minerales. Las ltimas investigaciones apuntan a una primera reaccin entre el Anfo y el sulfato ferroso hidratado, y ms especialmente entre este ltimo y el nitrato amnico, inicindose una reaccin exotrmica que se automantiene a partir de los 80 centgrados. Este sulfato ferroso es uno de los productos de descomposicin de las piritas, adems del sulfato frrico y el cido sulfrico. Para obviar este inconveniente, es frecuente aadir al Anfo sustancias inhibidoras tales como rea u oxalato potsico, entre otras, de tal forma que un 5% en peso de estas sustancias evitan la reaccin exotrmica de la mezcla ternaria hasta una temperatura de los 180 C. La sensibilidad de los hidrogeles tambin depende de la temperatura de la roca con la que est en contacto. La recomendacin general cuando se presenten estos problemas, es la de limitar el nmero de barrenos por voladura, a fin de disminuir el tiempo transcurrido entre la carga y la voladura. ESTUDIO DEL MACIZO ROCOSO Es muy conveniente concebir el macizo rocoso en trminos de la distribucin de tamao de bloques, de la misma forma que se estudia el suelo desde el punto de vista de su granulometra, puesto que las caractersticas de fragmentacin natural de aqul y el tamao de los bloques resultantes, son de vital importancia frente a la definicin de la direccin del frente de corte, su comportamiento en la trituracin y molienda, lixiviacin, excavabilidad, perforacin y voladura, as como sus efectos sobre la resistencia del macizo y su estabilidad.

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El tamao de bloques es uno de los indicadores ms importantes del comportamiento del macizo rocoso. Sus dimensiones se determinan mediante el espaciamiento, el nmero de familias y la persistencia de las discontinuidades que delimitan los posibles bloques. El nmero de familias y la orientacin determinan la forma de los bloques resultantes, los cuales pueden asemejarse a cubos, romboedros, tetraedros, lminas etc. De cualquier modo, las formas geomtricas regulares son la excepcin a la regla ya que rara vez las discontinuidades resultan paralelas. Usualmente las rocas de tipo sedimentario presentan los bloques ms regulares. La eficiencia de la voladura y los procesos de extraccin de materiales de cantera, estn fuertemente afectados por el tamao natural del bloque in situ. El tamao de bloques puede describirse mediante la dimensin media del bloque tpico (ndice modal de tamao de bloques, Ib) o mediante el nmero total de discontinuidades que intersectan un volumen unitario del macizo (conteo volumtrico de diaclasas o nmero de diaclasas por metro cbico, Jv). ndice modal de tamao de bloques, Ib. Puede estimarse al seleccionar a ojo varios tamaos de bloques tpicos y tomar sus dimensiones medias. Puesto que el ndice puede variar desde milmetros hasta varios metros, una precisin en la medicin del orden del 10%, debera ser suficiente. Cada rango debe caracterizarse por su moda y sus valores tpicos mximo y mnimo. El nmero de intervalos debe registrarse igualmente ya que si existen slo uno o dos intervalos, y consecuentemente se intenta convertir Ib a volmenes de bloques tpicos, puede no ser realista. El propsito de este ndice, es representar las dimensiones medias de los bloques de roca tpicos. El valor promedio de los espaciamientos modales individuales (S1, S2, Sn) puede no dar un valor realista de Ib si existen ms de 3 familias, puesto que la cuarta familia, si se encuentra muy espaciada, incrementar artificialmente el valor de Ib, pero puede tener una baja influencia sobre los tamaos de bloques reales tales como se observan en el campo. En el caso de rocas sedimentarias, dos familias de diaclasas mutuamente perpendiculares que se cruzan, ms la estratificacin, constituyen un bloque de forma cbica o prismtica extremadamente comn. En tales casos es correcto describir Ib mediante: Ib = (S1 + S2 + S3) / 3. El espaciamiento de las discontinuidades individuales y las familias asociadas, tienen una fuerte influencia sobre la permeabilidad del macizo y las caractersticas del flujo. En general, la conductividad hidrulica de cualquier familia dada, ser inversamente proporcional al espaciamiento, si las aperturas de las diaclasas individuales son comparables. A fin de cuantificar el espaciamiento, el equipo necesario consiste de una cinta mtrica de un mnimo de 3m de longitud, calibrada en milmetros, un comps y un inclinmetro. El procedimiento es: siempre que sea posible, la cinta debe mantenerse a lo largo de la superficie expuesta de forma tal que la traza de la discontinuidad en dicha superficie, se mida aproximadamente perpendicular a la cinta; si sta no es perpendicular, deben realizarse correcciones con respecto a esa desviacin a fin de obtener el verdadero valor

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del espaciamiento. Todas las distancias, d, entre discontinuidades adyacentes, se miden y registran sobre longitudes de muestreo no inferiores a 3m (o al espesor de la unidad de roca que se observe, si sta es menor de 3m). La longitud de muestreo debera ser preferiblemente mayor a 3 veces el espaciamiento estimado. Las distancias, d, deben medirse con una precisin de 5% de sus valores absolutos. El menor ngulo, , entre la cinta y la familia de diaclasas observada, se mide con un comps con una precisin de 5. El espaciamiento modal se calcula a partir de la expresin: S = dm sen Siendo dm la distancia modal medida, Figura 11. Es conveniente presentar la variacin del espaciamiento mediante un histograma tal como el que se presenta en la Figura 12. El valor promedio de los espaciamientos modales individuales (S1, S2, S3, etc.) representa la dimensin media de los bloques rocosos tpicos, si se asume su persistencia. El espaciamiento, o frecuencia de discontinuidades, puede tambin determinarse a partir de anlisis de los ncleos de perforacin y a partir de tcnicas de observacin del barreno tales como estratoscopios, cmaras fotogrficas y cmaras de televisin. Finalmente, varios investigadores han encontrado una relacin bastante confiable entre la frecuencia (nmero de discontinuidades por metro) y la velocidad de la onda longitudinal o de compresin, VL.

Figura 11. Medicin del espaciamiento entre diaclasas observando la roca expuesta.

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Figura 12. Ejemplo de histograma. Anlisis de longitud de bloques. Para cada familia de discontinuidad, deben registrarse los espaciamientos mnimo, modal y mximo (Smin, Smod y Smax). Un mtodo muy conveniente para presentar un nmero muy importante de toma de datos de mediciones de espaciamientos para los cuales se hace indispensable un tratamiento estadstico, es el empleo de histogramas, utilizando la terminologa de la Tabla 3, para cada familia de discontinuidades. Igualmente pueden dibujarse curvas de frecuencia para cada familia en el mismo diagrama, lo cual facilita una inmediata identificacin tanto de los respectivos valores modales, como de su dispersin. La utilizacin del promedio en lugar de los espaciamientos modales, puede conducir a eliminar dificultades en muestras que tengan modas mltiples o no muy definidas y en muestras con modas en espacios muy reducidos. Finalmente, el espaciamiento tambin puede expresarse como el inverso; es decir, el nmero de discontinuidades por metro: ste es el trmino para frecuencia. Tabla 3. Trminos descriptivos para identificar el espaciamiento. Descripcin Extremadamente cercano Espaciamiento muy cerca Cerca Espaciamiento moderado Espaciamiento amplio Espaciamiento muy amplio Extremadamente amplio Espaciamiento Menor de 20 mm Entre 20 y 60 mm Entre 60 y 200 mm Entre 200 y 600 mm Entre 600 y 2000 mm Entre 2000 y 6000 mm Mayor de 6000 mm

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Conteo volumtrico de diaclasas o nmero de diaclasas por metro cbico, Jv. Es la sumatoria del nmero de diaclasas por metro para cada familia de diaclasas. Las discontinuidades casuales pueden incluirse pero generalmente tienen muy poco efecto sobre los resultados. El nmero de diaclasas de cada familia debe contarse a lo largo del conjunto de diaclasas perpendicular relevante. Se recomienda una longitud de muestreo de 5 a 10 m. Cada conteo de diaclasas se dividir, entonces, en 5 10 a fin de expresar los resultados como nmero de diaclasas por metro. Un resultado tpico para 3 familias de diaclasas y una discontinuidad casual registradas a lo largo de 5 10 metros normal a las lneas de muestreo, puede ser el siguiente: Jv = 8/5 + 30/10 + 4/4 + 1/10 = 1,6 + 3,0 + 1,0 + 0,1 = 5,7/m3 Lo cual refleja el tamao medio de bloques. El observador debe mirar hacia la direccin de cada familia de diaclasa, esto es, contar y recontar perpendicular a la direccin, con lo cual se elimina el factor de correccin angular. Ntese que Jv no es igual a 1/S1 + 1/S2 + 1/S3 El clculo de Jv se fundamenta en los espaciamientos medios y no en los modales. Generalmente los resultados sern similares, pero el espaciamiento tiende a distribuirse de una forma log-normal. Las discontinuidades ocasionales no afectan perceptiblemente el valor de Jv a menos que el espaciamiento sistemtico de las diaclasas se encuentre en el rango desde espaciado hasta muy espaciado (por ejemplo, de 1 a 10 m). En vista de la gran utilizacin del RQD, en varios mtodos de clasificacin de macizos rocosos, es de inters presentar la correlacin aproximada entre Jv y RQD, la cual es de la forma: RQD = 115 - 3,3Jv (aproximadamente) RQD = 100 para Jv menor a 4,5 Teniendo en cuenta estas expresiones, diseamos la Tabla 4. Tabla 4. Relacin Jv versus RQD para calificar el estado de masividad de un macizo. Trmino Bloques masivos Bloques muy grandes Bloques grandes Jv (diaclasas/m3) Menor de 4,5 4,5 a 7,5 7,5 a 12 RQD 100 90 a 100 75 a 90 Calidad Excelente Muy Buena Buena

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Bloques de tamao medio Bloques pequeos Bloques muy pequeos

12 a 20 20 a 27 Mayor a 27

50 a 75 25 a 50 Menor a 25

Regular Mala Muy mala

Esta relacin puede utilizarse para estimar el orden de magnitud del RQD cuando no se dispone de ncleos de perforacin. En la Tabla 5 se indica la relacin entre Jv y la caracterizacin de los bloques. Tabla 5. Trminos descriptivos del tamao de bloques y su relacin con Jv. Trmino Bloques masivos Bloques grandes Bloques de tamao medio Bloques pequeos Bloques muy pequeos Jv (diaclasas/m3) Menor a 1 1a3 3 a 10 10 a 30 Mayor de 30

Valores de Jv superiores a 60, representan un macizo rocoso muy triturado, tpico de zonas de falla exentas de arcilla. Macizos rocosos. Los macizos rocosos pueden describirse segn los siguientes adjetivos, los cuales dan una informacin preliminar del tamao y forma del bloque: 1.-Masivo: pocas diaclasas o espaciamiento muy amplio. 2.- En bloques: caras aproximadamente equidimensionales. 3.-Tabular: una dimensin considerablemente menor que las otras dos. 4.-Columnar: una dimensin considerablemente mayor que las otras dos. 5.- Irregular: grandes variaciones en el tamao y forma de los bloques. 6.- Triturado: desde muy diaclasado hasta bloques que se asemejan a cubos de azcar. Los resultados deben presentarse de la siguiente forma: 1- Registrar el ndice modal de tamao de bloques, Ib, y los valores tpicos para los tamaos de bloque mayor y menor para el rango o los rangos de inters. Registrar igualmente el nmero de familias y describir la persistencia. 2.- Registrar el nmero de diaclasas por metro, Jv, para esos mismos rangos. 3.- Describir el macizo rocoso y su masividad en trminos generales como: masivo, en bloques, tabular, columnar, triturado, etc. 4.- Donde sea posible, el tamao y forma de los bloques debe tambin registrarse por medios fotogrficos y esquemas de campo de las superficies expuestas. Prediccin del tamao de bloques

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Usualmente las voladuras en macizos rocosos tienden a abrir las fracturas preexistentes; por tanto, el tamao de los bloques medidos a partir de la roca arrancada y el depsito de material, son a menudo un estimativo razonable del tamao del bloque in-situ. En algunos casos, el cribado de todo el material extrado de una perforacin dar una curva granulomtrica que es razonablemente confiable para el rango de los tamaos de bloques. Al final del documento se muestra una curva aproximada. En la Figura 7 se muestra una grfica que relaciona el volumen estimado de los bloques in situ con el diaclasamiento volumtrico, adaptada de Lpez Jimeno (1994).

1 :1 :1 1 :1 :2 1 :8 :8 1 :1 :5 1 :3 ,5 :3 ,5 1 :1 :8 1 :5 :5 1 :1 2 :1 2

1000 500

3100 50

1 :1 :1

VOLUMEN APROXIMADO DEL BLOQUE

m310 5 V = Vb = 1000 500

1

2

Vb sen sen sen

1 :1 :X

1 2 3

1 :X :X 100 50

10 5

dm 31 0 ,5

0 ,1 0 ,0 5

0 ,2 5

0 ,8

1

2

3

5

10

303

60

100

200

D IA C L A S A M IE N T O V O L U M T R IC O d e d ia c la s a s /m , jvBLO QUES GRANDES B LO Q U E S D E T A M A O M E D IO BLO Q UES PEQUEOS B LO Q U E S M U Y PEQUEOS

B L O Q U E S M A S IV O S

Figura 13. Relacin entre el tamao de bloque in situ y el diaclasamiento volumtrico. Independientemente del tipo de roca (gnea, sedimentaria o metamrfica) el mejoramiento de las condiciones del banco puede ser posible si se toman en cuenta las actitudes de los principales sistemas de diaclasas. De algn significado tambin es el hecho que en la mayora de las formaciones rocosas, la velocidad de las ondas longitudinales vara con la direccin, es decir, estos materiales son anisotrpicos. Con muchos ejemplos puede demostrarse que importantes reducciones en los costos de voladura y operaciones subsiguientes, pueden ser el resultado de atender estos detalles.

Objetivos de la voladura

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Las necesidades del cliente, objetivo de la voladura, pueden igualmente obligar a un nuevo rediseo, pues si se encuentra un estrato duro, por ejemplo, que pudiera dar lugar a recomendar la colocacin de un multiplicador, el hecho de que su fragmentacin pueda contaminar el material a beneficiar, podra no hacer tan justificable dicha colocacin. Por otro lado, la presencia de sobretamaos, que pudieran inducir a pistoletazos posteriores, pudiera ser un indicativo de la necesidad de obtener una mejor fragmentacin con la voladura. No se puede olvidar que la voladura debe generar los tamaos mximos que la trituradora primaria pueda recibir y que estos tamaos estn directamente relacionados con el grado de trituracin natural del macizo. Diseo de voladuras atendiendo al control geoestructural El correcto diseo de una voladura debe atender no slo la geometra de la malla, las caractersticas de los explosivos, y la resistencia de la roca intacta, sino que adems debe incluir como parmetro fundamental, el control geoestructural (orientacin relativa del frente y direccin de salida de la voladura respecto a la actitud de las discontinuidades ms importantes) que los diferentes tipos de discontinuidad imponen al macizo rocoso. A continuacin se presenta un resumen grfico del control que impone la orientacin de los estratos. Toda diaclasa se caracteriza por la inclinacin y la direccin; adicionalmente, todo corte, sea vial o de produccin de material de cantera, se caracteriza igualmente por su direccin e inclinacin. Si bien es cierto que estos ltimos son fcilmente modificables a criterio del diseador, las diaclasas son intrnsecas y por tanto inmodificables; de acuerdo con lo anterior, tanto para el anlisis de estabilidad de cortes, como para la mejor produccin de los materiales de cantera, deben tenerse en cuenta estos cuatro parmetros. Para los clculos que se muestran a continuacin, se han adoptado las siguientes convenciones: : inclinacin de los estratos: 30 : direccin de los estratos: N - S : inclinacin del frente: 18 : direccin del frente: E W : ngulo entre la direccin del frente de explotacin y la direccin de los estratos: variable a definir. En la Figura 14 se muestran grficamente las convenciones anteriores, con el fin de facilitar la comprensin de las figuras mostradas ms adelante. En la Figura 15, por su parte, se ilustran otros parmetros empleados en la descripcin e identificacin de las variables involucradas en las Figuras 16 a 20, en donde se indican las direcciones ms convenientes de la voladura segn el buzamiento de los estratos. RE : rumbo de la estratificacin : ngulo entre el rumbo de la estratificacin y la direccin de salida de la voladura : buzamiento de los estratos

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Figura 14. Explicacin grfica de las convenciones adoptadas. Figura 15. Isomtrico del diseo de una voladura 1. Buzamiento de los estratos, = 0

Figura 16. Influencia de los parmetros geomtricos sobre la voladura; = 0 Segn este buzamiento, la direccin de frente de voladura es indiferente; es decir, independientemente de la direccin de explotacin que se asuma, los resultados de la voladura sern los mismos.

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2. Buzamiento de los estratos, = 90

Figura 17. Influencia de los parmetros geomtricos sobre la voladura; = 90 Segn este buzamiento, se tienen las siguientes caractersticas, segn el ngulo entre el rumbo de los estratos y la direccin de la voladura: = 0 = 180 = 45 = 135 = 225 = 315 = 90 = 270 Buena fragmentacin y frente regular. Fragmentacin variable y frente en dientes de sierra Direccin ms favorable.

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3. Buzamiento de los estratos

= 45

Figura 18. Influencia de los parmetros geomtricos sobre la voladura; = 45 De acuerdo con este buzamiento, se tienen las siguientes caractersticas, segn el ngulo entre el rumbo de los estratos y la direccin de la voladura: = 0 = 180 Buena = 45 = 125 Desfavorable = 90 Poco favorable = 225 = 315 Aceptable = 270 Muy favorable

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4. Buzamiento de los estratos, 0 < < 45

Figura 19. Influencia de los parmetros geomtricos sobre la voladura 0 < < 45 En este caso se tienen las mismas caractersticas de voladura que en el caso anterior, aunque en ste, la resistencia de la roca es determinante: = 0 = 180 = 45 = 135 = 90 = 225 = 315 = 270 Buena Desfavorable Poco favorable Aceptable Muy favorable

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5. Buzamiento de los estratos, 45 < < 90

Figura 20. Influencia de los parmetros geomtricos sobre la voladura;

45 < < 90

De acuerdo con este buzamiento, se tienen las siguientes caractersticas, segn el ngulo entre el rumbo de los estratos y la direccin de la voladura: = 90 Poco favorable = 270 Favorable

Dependiendo del valor de y la competencia de la roca, los resultados sern ms prximos a = 45 = 90.

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ndice de Volabilidad (BI) De acuerdo con Lilly (1986) se define como la facilidad con la que un macizo rocoso puede ser excavado mediante el uso de explosivos; este ndice se puede calcular mediante la Tabla 4. BI = 0,5 (RMD + JPS + JPO + SGI + RSI)

Tabla 6. Calificacin de parmetros geomecnicos para determinar el ndice de Volabilidad, B.I.

PARMETRO GEOMECNICO Descripcin del macizo rocoso (RMD) Friable/Poco consolidado Diaclasado en bloques Totalmente masivo Espaciamiento entre diaclasas (JPS) Pequeo (1,0 m) Orientacin entre diaclasas (JPO) Horizontal Buzamiento normal al frente Rumbo normal al frente Buzamiento coincidente con el frente Influencia del peso unitario (SGI) SGI = 25SG-50, SG : peso unitario, ton/m Influencia de la Resistencia a la Compresin Simple (RSI) RSI = 0,05 x Resistencia a la compresin simple, Mpa

CALIFICACIN 10 20 50 10 20 50 10 20 30 40

1-20

El consumo especfico de explosivo, C.E., as como el factor de energa, F.E., estn directamente relacionados con este ndice, mediante las relaciones: C.E., kg Anfo/t, = 0,004 x BI F.E., Mj/t, = 0,015 x BI

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Otro parmetro del macizo rocoso que tambin tiene una incidencia muy importante en las voladuras es el estado de esfuerzos in-situ, el cual condiciona la direccin de encendido de las voladuras, ste debe estar orientado en esa misma direccin.

INTENTOS DE CORRELACIN DE NDICES DE PERFORACIN CON LOS PARMETROS DE DISEO DE LAS VOLADURAS Teniendo en cuenta que la perforacin de una roca constituye un proceso de rotura de la estructura de la misma en el que influyen numerosos factores geomecnicos, parece lgico que el diseo de las voladuras debiera basarse en los ndices de perforacin. En tal sentido, se han desarrollado varios mtodos, entre los cuales analizaremos el de Leighton (1982), el cual se fundamenta en los trabajos adelantados previamente por Mathis (1975). En efecto, Mathis haba propuesto su ndice R.Q.I. (Rock Quality Index) basado en: donde: RQI = Eh(t/L)

Eh : Presin hidrulica de la perforadora t :Tiempo de perforacin del barreno L : Longitud del barreno Leighton (1982) procedi a una identificacin de las rocas existentes en la mina de Afton (Canad) mediante el R.Q.I. utilizando una perforadora rotativa S.E. 40-R trabajando a 229 mm (9") de dimetro. A continuacin, hizo un estudio de correlacin entre el "R.Q.I. y el consumo especfico ptimo de explosivo para las voladuras de contorno, obteniendo un coeficiente de correlacin r = 0,98 para la siguiente curva ajustada, Figura 21. Ln(CE) = (R.Q.I. - 25.000) / 7.200 donde: CE : Consumo especfico (kilogramos de ANFO/ tonelada). R.Q.I. : ndice de Calidad de la Roca (kPa.min/m).

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Figura 21. Correlacin R.Q.I. vs. Consumo especfico. CONCLUSIONES 1- La operacin de perforacin y voladura debe tomarse como un medio y no como un fin; esto es, ella hace parte de un proceso ms complejo y por tanto la mejor voladura no es necesariamente la ms econmica. La mejor voladura es, pues, aquella que utiliza la mayor energa disponible en realizar el trabajo que le estamos exigiendo, manteniendo el medio ambiente lo ms inalterado posible. Esto es, una voladura es buena cuando genera: La granulometra deseada: ni muchos sobretamaos, ni muchos subtamaos, pues ambos generan problemas posteriores. La menor dilucin del mineral. La mayor estabilidad del corte posterior a la ltima lnea, y en todo caso, del talud final. Los menores conflictos con la comunidad y las autoridades competentes.

2- El correcto diseo de una voladura demanda de la diligencia de un ojo inquisidor constante que pueda estar atento a los diferentes cambios que el macizo rocoso exhibe a cada paso: no hay nada ms cambiante que el macizo rocoso el cual parece no comprender nuestras dificultades en entenderlo. Parmetros como heterogeneidad, discontinuidad, anisotropa, presencia de agua, esfuerzos residuales, fallas, pliegues,

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entre otras adversidades son el comn denominador en la mayora de los macizos rocosos; an ms, las caractersticas fsicas, qumicas, mecnicas y elctricas, entre otras, de la roca intacta, tan cambiantes, aun en el mismo tren de perforacin, vienen a complicar el ya de por s catico panorama. 3- Entre los parmetros que intervienen en el correcto diseo de una voladura los ms importantes y a su vez los menos estudiados en un sitio particular, son los asociados con las caractersticas fsico-mecnicas tanto del macizo rocoso como de la roca intacta. 4- El conocimiento del estado previo del tamao de bloques presentes en un macizo rocoso, puede disminuir sustancialmente los costos de voladura al permitir un diseo que est acorde con ellos. 5- Las diferentes curvas granulomtricas caractersticas: 1) del macizo rocoso in situ, 2) del resultado de la voladura y 3) de los dems procesos de trituracin, conllevan a lograr ahorros muy importantes en el proceso general de la conminucin. REFLEXIONES FINALES El objetivo de la presente ponencia no fue traer algo nuevo; lo que s pretendi, fue enfatizar en los diversos parmetros geomecnicos que intervienen en la voladura, para finalmente plantear los siguientes interrogantes:

Cunto conoce usted realmente el macizo rocoso en el que est trabajando? Cules son las restricciones en el diseo de su malla de voladura en cuanto a granulometra y pureza del material objeto de su extraccin? Cules son las posibles utilizaciones del estril y cmo debe ser su manejo? Cul es el consumo energtico en su operacin de extraccin, en trminos de esfuerzos y costos? No ser que los posibles buenos rendimientos en tiempos de perforacin, cargue de barrenos y evacuacin del material volado, fruto de una alta mecanizacin, estn enmascarando los resultados de una voladura no tan eficiente? Conoce usted y en qu determinaciones de diseo se hacen intervenir parmetros fsicos de la roca y del macizo rocoso, como tamao de bloque, forma de bloque, peso unitario, humedad, entre otros? Conoce usted en qu determinaciones de diseo se hacen intervenir parmetros composicionales de la roca como contenido de sulfuros, cuarzo, slice libre, etc? Conoce usted cmo influye no slo la cantidad de agua sino sus caractersticas composicionales, de acidez, de Eh, temperatura, etc?

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Conoce usted en qu determinaciones de diseo se hacen intervenir parmetros fsico mecnicos de la roca como mdulo de deformacin, resistencia a la traccin, resistencia a la compresin, velocidad snica, etc.? Finalmente, si todo esto para usted es bien conocido, entonces cules, cuntos ensayos y con qu frecuencia soporta sus diseos?

BIBLIOGRAFA APONTE G., Javier. Influencia de la Geomecnica en las Excavaciones a Cielo Abierto mediante el uso de Explosivos. Proyecto final de especializacin. Director: lvaro Correa Arroyave. Universidad Nacional de Colombia, 2005. BROWN E., T. Rock Characterization. Parte 1. Caracterizacin in-situ. Testing and Monitoring. Pergamon Press Ltd. Gran Bretaa, 1981. CORREA, lvaro. Notas de clase del Curso Materiales para Carretera. Posgrado en Geotecnia. Universidad Nacional de Colombia, 2005. CORREA, lvaro. Notas de clase del Curso Mecnica de Rocas. Posgrado en Tcnicas Modernas de Voladuras. Escuela de Ingenieros Militares Geotecnia, 2009 . DUNOD. Tcnicas de la Voladura Eficiente. Curso de Educacin Continuada, 1995. ITGM. Manual de Perforacin y Voladura de Rocas, Madrid, 1994.

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ANEXO 1.- Mdulos de Tenacidad y Resiliencia para algunas rocas colombianas2 c f 3

Mt =

( kg .cm / cm 3 )

Mdulo de Tenacidad

Mr =

l22E

=

ll2

(kg.cm / cm3 )

Mdulo de Resiliencia

Valores del Mdulo de Tenacidad y Mdulo de Resiliencia para cada una de las muestras ensayadasNo. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Nombre Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Cuarcita Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Gneis Muestra M2.3 M2.7 M2.2 M2.4 4.3 M2.1 2.2 8.1 B-9 B-9-2 7.1 11.1 11.2 6.1 B 3-15-2 B 3-15-3 12.2 M1.4 12.1 M1.2 M1.1 9N 9N* M1.5 3.15* 3.15 18.2 M1.3 4.1 9.1 c MPa 325,09 241,22 232,25 155,80 143,41 141,59 64,77 58,93 317,12 243,72 203,97 171,72 113,22 101,59 183,36 173,61 l MPa 294,42 236,33 179,28 106,38 82,08 41,79 46,30 179,93 237,18 140,53 39,55 171,13 128,60 Mdulo de Young MPa 117615 88295 100055 76880 83405 127745 87460 80750 87125 139420 74760 58195 46240 30380 67990 96100 79090 96270 117400 65860 92970 66890 47055 92260 84020 84950 53070 134935 127720 104860 Deformacin Deformacin Mdulo de Mdulo de en en el lmite Tenacidad Resiliencia la falla elstico Mt, Mr, f x10-6 l x10-6 kg.cm/cm kg.cm/cm 3,69 3300 3270 5,31 3,16 1929 1,61 2125 2,21 1432 0,68 679 0,26 523 0,10 795 554 0,31 0,13 2151 1,86 2000 1910 3,25 2,02 2756 1,32 1302 0,26 3150 2845 3,85 2,15 1600 1195 1,85 0,86 5455 3650 2500 2404 2783 539 5163 3617 2032 4368 2380 1572 875 1876 1622 1616 14,25 7,29 4,57 3,95 2,67 0,47 9,27 4,53 2,54 4,65 3,05 1,92 0,65 0,31 0,72 1,75 0,66

|| wollastontica wollastontica wollastontica wollastontica wollastontica wollastontica ||

391,92 382,98 299,59 295,48 274,43 244,13 267,40 247,39 246,24 238,03 195,64 191,65 190,97 188,10 149,05 104,89 144,03 72,87 143,75 87,28 132,02 299,51 211,22 213,80 117,85

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Las medidas de dispersin para los valores de los mdulos de tenacidad y resiliencia de la cuarcita y del gneis, se presentan en las dos tablas siguientes.

Medidas de dispersin para el mdulo de tenacidad y el mdulo de resiliencia de la cuarcita.Medidas de dispersin Media (MPa) Mediana (MPa) Moda (MPa) Desviacin estndar (MPa) Varianza de la muestra (MPa) Coeficiente de variacin Rango (MPa) Mnimo (MPa) Mximo (MPa) Nmero de datos Mdulo de Tenacidad, Mt 2,80 2,73 1,73 3,01 0,62 [5,31] , [0,31] 4,99 0,31 5,31 6 Mdulo de Resiliencia, Mr 1,39 1,32 1,16 1,35 0,84 [3,69] , [0,1] 3,59 0,10 3,69 13

Medidas de dispersin para el mdulo de tenacidad y el mdulo de resiliencia del gneis.Medidas de dispersin Media (MPa) Mediana (MPa) Moda (MPa) Desviacin estndar (MPa) Varianza de la muestra (MPa) Coeficiente de variacin Rango (MPa) Mnimo (MPa) Mximo (MPa) Nmero de datos Mdulo de Tenacidad, Mt 5,53 4,26 4,82 23,27 0,87 [14,25] , [0,47] 13,78 0,47 14,25 6 Mdulo de Resiliencia, Mr 2,73 1,92 2,65 7,00 0,97 [9,27] , [0,31] 8,96 0,31 9,27 11

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2.- Correlacin frecuencia de fracturacin vs. Consumo especfico y Velocidad snica vs. Consumo especfico

3.- Clasificacin de macizos rocosos para determinar el consumo especfico de explosivos Ghose (1988) propuso un sistema de clasificacin geomecnica de los macizos rocosos de minas de carbn para el clculo de los consumos especficos de explosivo en voladuras a cielo abierto. Los cuatro parmetros que se miden se indican en la Tabla siguiente.

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4.- VOLADURAS SUBTERRNEAS En los trabajos de excavacin de tneles las caractersticas estructurales condicionan en gran medida la geometra del perfil, casi rectangular si las rocas son masivas y con arco de coronacin si son ms inestables. Cuando las discontinuidades son paralelas al eje del tnel, Figura a, con frecuencia los avances no son demasiado buenos y los frentes son desiguales. Cuando son normales al eje, Figura b, las voladuras suelen realizarse con buenos resultados y, finalmente, si la estratificacin o las discontinuidades presentan una direccin oblicua con respecto al eje de los tneles, existir un lado sobre el que resultar ms fcil volar, en el caso de la Figura c, en el lado izquierdo. En el caso de presentarse esfuerzos tectnicos y/o gravitacionales (no hidrostticas), el esquema de fracturas generado alrededor de los barrenos est influenciado por la concentracin no uniforme de esfuerzos alrededor del tnel. En las rocas masivas homogneas, las grietas que empiezan a propagarse radialmente desde los barrenos tienden a seguir la direccin de los esfuerzos principales. As por ejemplo, en el avance de galeras en macizos rocosos con una alta concentracin de esfuerzos residuales, como en el caso de la Figura d, la secuencia de disparo en los barrenos del cuele deber adecuarse a las mismas. Si en los planos de precorte de las excavaciones proyectadas actan esfuerzos normales al mismo, los resultados obtenidos no sern satisfactorios, a menos que el espaciamiento entre barrenos se reduzca considerablemente o se realice previamente una excavacin piloto prxima que sirva para la relajacin del macizo liberando dichos esfuerzos y se sustituya el precorte por una voladura de recorte.

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