MONITOREO DE VIBRACIONES CAUSADAS POR VOLADURAS EN TALUDES Monitoring of vibrations caused by blasting in slopes

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1 MONITOREO DE VIBRACIONES CAUSADAS POR VOLADURAS EN TALUDES Monitoring of vibrations caused by blasting in slopes Christa Quiroz-Cotrina 1 1 Universidad Privada del Norte, Perú Recibido may. 2014; aceptado jul. 2014; versión final nov Correo de correspondencia: christa.quiroz@outlook.com. Resumen La energía explosiva liberada al detonar los explosivos genera diversos efectos como fragmentar, fracturar y deformar el material dentro del cual el explosivo es detonado; sin embargo, existen también efectos secundarios: proyecciones de roca, formación de nubes de polvo, ondas aéreas, ruido y formación de vibraciones sísmicas. Este trabajo describe tres métodos utilizados en minería superficial para monitorear vibraciones causadas por voladura, a fin de establecer cuidados y controles según el tipo de suelo. Palabras Clave: explosivos, proyecciones de roca, monitoreo. Abstract Explosive energy released by detonating explosives generates different effects such as fragmentation, fracture and deformation of the material in which the explosive is detonated; however, there are side effects: projections of rock, dust cloud formation, air waves, formation of seismic noise and vibration. This study describes three methods used in surface mining to monitor vibrations caused by blasting, in order to establish care and controls according to the soil type. Keywords: explosives, flyrock, monitoring. 53

2 I. INTRODUCCIÓN Las vibraciones que originan las voladuras de roca representan uno de los problemas más importantes que enfrentan hoy en día las operaciones mineras y las áreas pobladas próximas a éstas; por ello el efecto de las voladuras en operaciones mineras es un tema que ha sido abordado en estudios previos (Chakraborty et al., 1994; Raina et al., 2008; Sharma, 2010; Shrimali et al., 2014). La onda de choque generada por la detonación de cargas explosivas se propaga en forma esférica y transfiere una energía vibracional al macizo rocoso. Estas ondas sísmicas transmiten a la roca movimientos de partículas en todas direcciones, con intensidades que dependen de la energía del explosivo, geometría de la voladura y la secuencia de detonación. Por lo tanto, para limitar estos efectos se debe emplear una técnica de voladura controlada, de manera tal de minimizar los efectos sobre el macizo rocoso. El control de las vibraciones hoy en día es un importante factor a considerar cuando se requiere que los taludes sean más estables y el resultado de la voladura sea el esperado. Los objetivos de esta investigación son: a) conocer los métodos de monitoreo empleados en minería a tajo abierto y los resultados obtenidos en algunos casos modelo; b) determinar la efectividad del cross-hole en el monitoreo de vibraciones. II. MATERIALES Y MÉTODO Se realizó un estudio descriptivo de los tres métodos más frecuentes de monitoreo de vibraciones utilizados en minería superficial durante los últimos 20 años. Se empleó un muestreo no probabilístico discrecional. En cuanto a los instrumentos de recolección de datos se usaron observaciones de campo y revisión documental. En lo que se refiere a las técnicas de procesamiento y análisis, se realizó un registro de fotografías, así como la recopilación y descripción de cuadros de resultados de las pruebas realizadas. Equipos para el monitoreo de vibraciones Para realizar el monitoreo se utilizaron equipos especializados los cuales constan de los siguientes componentes: 54

3 Transductores (geófonos) instalados en el interior o en la superficie del macizo rocoso. Sistemas de cables (paralelos) llevan la señal captada desde el geófono al equipo de adquisición, el cual recibe y almacena la señal. Computadora que tiene el software necesario para el análisis de la información. Importancia de la medición de las vibraciones 1. Medir las vibraciones producidas por una voladura ayuda a estimar la probabilidad de daño que el macizo rocoso puede sufrir. 2. El monitoreo ayuda a determinar la velocidad crítica en cada uno de los materiales del terreno para conocer los límites máximos permisibles de vibración sin causar daño al macizo rocoso remanente. 3. Se puede utilizar el monitoreo de las vibraciones como una herramienta de diagnóstico, para determinar el grado de interacción entre las variables de la voladura así como predecir las vibraciones producidas por voladuras futuras. III. RESULTADOS A continuación se detalla los principales hallazgos del estudio. - Geología local y características de las rocas: En los macizos rocosos homogéneos y masivos las vibraciones se propagan en todas direcciones; mientras que en estructuras geológicas complejas, la propagación de ondas puede variar con la dirección y presentar diferentes tipos de atenuación y formas de propagación. - Cantidad de explosivo: Es el factor más importante que afecta a la generación de vibraciones, a mayor carga explosiva, mayor magnitud de vibraciones. - Distancia al punto de voladura: Conforme aumenta la distancia, la intensidad de las vibraciones disminuye. Casos aplicativos Primer caso: Medición de onda p (cross hole): a. Objetivos: Medir la velocidad de la onda p por tipo de roca. 55

4 Calcular el producto por voladura (PPV) crítico, considerando la resistencia a la tracción y el módulo de Young. b. Instrumentación y materiales Geófono uniaxial o triaxial de campo cercano, 2 por tipo de roca (resistencia: 78 Ohm, frecuencia 14 Hz y resistividad v/mm/s). Equipo Instantell, 4 canales u 8 canales, con software Blastware. Caja de conexión y tubo de PVC 3 pulg. y pegamento. Carga explosiva (fuente sísmica) y concreto. c. Método cross hole Para el método de cross hole se usó la prueba de cruz: los pozos de instalación de geófonos tuvieron diámetro 6 con una longitud de 11m (ver Figura 1). Figura 1. Secuencia de instalación de los pozos * Taladros en rojo: Taladros a detonar. * Taladros en azul: Geófonos empotrados. Fórmula a utilizar: Donde: 56

5 Los modelos creados con las pruebas anteriores permitieron crear ábacos de daño donde que indican cuántos kilos de explosivo se puede detonar en un mismo instante cerca de una pared para no generar daño por voladuras. d. Resumen de onda P Roca andesita (ver Tabla 1). Tabla 1. Datos del geófono y la onda p Geófono Tiempo Distancia Onda p (m/s) Long seg. 10 m Long seg. 10 m Long seg. 10 m Long seg. 10 m e. Recomendaciones para reducir el nivel de vibraciones: 1. Minimizar la cantidad de explosivo por tiempo de retardo. 2. Reducir el diámetro de perforación, secuencia taladro a taladro, etc. 3. Usar tiempos entre filas y taladros que eviten la superposición de ondas y permitan un buen desplazamiento de la roca. 4. Usar voladuras de control. Segundo caso: Reportes rutinarios de voladuras electrónicas con sismógrafo Previo a la voladura, se colocaron 2 sismógrafos con sus respectivos geófonos en dos zonas estratégicas del tajo de modo que se pudiera llevar un registro de las vibraciones causadas por la voladura. Características: Tipo de iniciación: Electrónica Tipo de malla: Producción Cargío: Noche / Día Antecedentes generales: Horario de la voladura: Se programó la voladura a las 16:00 p.m. Los niveles 3336 y 3348N se ejecutaron a las 02:50 p.m. y el nivel 3348S a las 3:09 p.m. Secuencia de detonación electrónica: 3336 disparo electrónico: Tiempo / taladros = 14 ms Tiempo / fila de producción= 180 ms. 57

6 3348N/3348 S electrónico: Tiempo / taladros = 7 ms Tiempo / fila de producción= 180 ms Esponjamiento y fragmentación 3336 Se observó un esponjamiento y fragmentación muy bueno post voladura. 3348/3348N Se observó buenos niveles de esponjamiento y fragmentación. Presencia de humos Disparo 3336 electrónico, no se generó humos naranjas en cuatro taladros (1.9%). Disparo 3348N electrónico, no se generó humos naranjas en el disparo (0%). Disparo 3348S electrónico, se generó humos naranjas en tres taladros (2.97%). Generalidades Disparo 3336 electrónico, con 211 taladros detonados en las mallas: 025, 601, 602. Disparo 3348N electrónico, con 104 taladros detonados en las mallas: 604, 611, 621. Disparo 3348S electrónico, con 101 taladros detonados en las mallas: 058, 619. Figura 2. Las cuatro etapas del proceso de la voladura 58

7 Figura 3. Resultados del monitoreo con el geófono 1 instalado en el pie de la falla Nota: Coordenadas del geófono 1 (X: 11444, Y: 25601). Caso tres: Monitoreo de vibraciones en poblados cercanos Objetivo: Establecer los procedimientos para monitorear vibraciones y ruidos en los centros poblados más cercanos ocasionados por las voladuras realizadas en tajo. Procedimiento: 1. El ingeniero responsable de medio ambiente ubicó en un plano el centro poblado más cercano y representativo (en dirección horizontal) para realizar los monitoreos. 2. El ingeniero de P & V ubicó junto con el ingeniero responsable de medio ambiente el centro poblado en mención y determinaron un punto de monitoreo apropiado para realizar los monitoreos. 3. Con un tiempo prudente de anticipación el ingeniero de P & V programó el sismógrafo Minmate Plus de Instantel y ubicó el geófono estándar de Instantel, así como el micrófono para la medición de ruido. 4. Mediante el uso de una radio de comunicación Motorala el ingeniero de P & V coordinó el instante exacto del disparo de manera que el sismógrafo registrara los eventos producto del disparo realizado. 5. Luego del disparo se descargó toda la información almacenada en el sismógrafo en un computador mediante el software Blastware 8 para interpretar las señales. 6. Con la información obtenida por el software se calculó el PPVmax (peak particle velocity máximo) en mm/s y el pico máximo en db (decibeles) en un tiempo en ms (milisegundos). En base a esta información, con el software para simulación de voladuras JK-SimBlast se simuló el disparo del proyecto, ubicando de acuerdo al 59

8 tiempo los taladros que hayan salido juntos o muy cercanos y en base a ello se obtuvo la cantidad de kg. de explosivos que ocasionó el PPVmax. 7. Con el fin de obtener un análisis no solo cuantitativo sino cualitativo se tomó como marco referencial las normas de la U.S. Bureau of Mines (ver Tabla 2). Tabla 2. Valor máximo de la velocidad de partícula según propuesta de USBM Tipo de estructura Baja frecuencia Alta frecuencia Casas modernas con paredes revestidas de material diferente del revoque común (yeso) 19 mm/s 50 mm/s Casas antiguas con paredes revoadas 12,5 mm/s 50 mm/s Baja frecuencia Alta frecuencia < 40 Hz, todo pico espectral por debajo de 40Hz y dentro de una faja de 6dB (osea 5% de la amplitud verificada a la frecuencia predominante) justifica el empleo del criterio de baja frecuencia. > 40 Hz IV. DISCUSIÓN Se pudo observar claramente que el monitoreo en el tajo y cerca de las comunidades es sumamente importante ya que ayuda a determinar controles futuros y evitar problemas con las estructuras aledañas. Tener un parámetro de comparación referencial es trascendental en este proceso. V. CONCLUSIONES El monitoreo de vibraciones producto de las voladuras es una técnica que permite evaluar el rendimiento general del diseño de la voladura. Los valores absolutos obtenidos de los niveles de velocidad de partícula hace posible la obtención de modelos predictivos confiables, con los cuales se pueden evaluar los diversos parámetros de la voladura. La técnica cross hole es una herramienta que permite hacer una buena evaluación del daño al macizo rocoso y a la vez ajustar el criterio de daño como una función del PPVmáx. 60

9 Agradecimiento Al ingeniero Martín Mendoza por su asesoría y supervisión permanente, a Flor Terán por su ágil gestión, al ingeniero José Luis Ballón por su asesoría y apoyo incondicional y a todo el equipo de profesionales de Perforación y Voladura. BIBLIOGRAFÍA Chakraborty, A.K.; Jethwa, J.L. y Paithankar, A.G. (1994). Effects of joint orientation and rock mass quality on tunnel blasting. Engineering Geology, 37(3-4), Raina, A.K.; Ramulu, M.; Choudhury, P.B. et al. (2008). Application of digital image analysis technique for assessment of blast fragmentation and explosives energy utilisation in large opencast coal mine. Journal of Mines, Metals and Fuels, 56(7-8), Sharma, P.D. (2010). Factors in designing of blasts, flyrock, industrial explosives used and safe operation of bulk explosives in opencast mines. Journal of Mines, Metals and Fuels, 58(9), Shrimali, R.; Mandal, D. y Shekhawat, L.S. (2014). Blast design vis-à-vis selection of explosives characteristics at Rampura-Agucha mines (HZL). Journal of Mines, Metals and Fuels, 62(5-6),