Minería a cielo abierto:

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1 Minería a cielo abierto: Métodos de tronadura Tomás Hidaldo, Iván López, Javier Pincheira, Alan Troncoso Abstract Mining in Chile is essential to the country s economy because it has anomalies of different minerals. In these processes, the country earns a lot of money as result of minerals exploitation. Mines who get minerals oxides use the open pit method, because they are closer to the surface, using for them development the mining blasting. The mining blasting uses the chemical potential from different elements, to create explosions that it use to different purposes either rocks fragment, or open new roads. To use this tool in the mining industry, previous studies are required to obtain the most of their explosion potential determined by the explosion s type, rocks type near of the ore body and the environmental conditions. This paper will delve into the different blasting type, that are used in the open pit mines, focusing on these main objectives sought in the processes of initiation and development to the company. 1. Introducción Las voladuras son producidas por explosivos, los cuales detonan para producir el efecto de liberación violenta de energía, donde se descomponen en gases con alta presión y temperatura con liberación de calor. Estos explosivos, se clasifican de forma cinética y de forma energética dependiendo de la velocidad de propagación y de la cantidad de energía necesaria para su activación respectivamente. La finalidad de las explosiones es fracturar la roca, o lograr un empuje de estas. Para que una tronadura sea exitosa, tiene que tener una secuencia estudiada, dividida en 4 pasos que son: Iniciacion: Efecto que inicia la detonación de la columna explosiva Conexión: Conectar todos los tiros entre sí a fin de transmitir la propagación de energía entre ellos Secuencia Orden de salida que tendrán los tiros en el diseño de tronadura

2 Activación: Fuente de energía inicial que activa todo el conjunto de tiros de la tronadura Dependiendo del tipo de tronadura que se desea realizar, se modificará algún punto. Además, considera como factor importante, el tipo de roca, la geometría de esta, la dureza para elegir el mejor explosivo a utilizar, considerando además un modelo de tronadura, eligiendo una profundidad a la que estará, la cantidad de aire que se dejara, el burden, etc. Las tronaduras, no necesariamente se utilizan para la extracción de minerales, si no para otras propósitos, utilizando las tronaduras controladas, debido a las nuevas tecnologías. Dividiendose en las de pre-corte, amortiguadas y de producción. Ahora se explicará los distintos tipos de tronadura que se utilizan en la minería a cielo abierto, tomando lo ahora mencionado en la descripción de cada uno. 2. Métodos de tronadura 2.1 TRONADURA DE PRECORTE La tronadura de precorte tiene por finalidad generar una línea de debilidad tras la tronadura, esto debido a una serie de tiros en una sola fila de excavación con el objeto de generar una discontinuidad o plano de fractura. Los tiros son generalmente del mismo diámetro y sin pasadura. Los beneficios de la tronadura de precorte son: Formación de una pared de banco más estable Generar el límite de penetración de la pala. Obtener las bermas programadas. Crear una percepción de seguridad. El precorte debe permitir fracturar un plano para atenuar vibraciones en la tronadura principal, lo anterior depende mucho de la calidad de las fracturas que se formen. Las vibraciones serán menores, mientras éstas crucen fracturas lo más abiertas y limpias posibles. A parte de las vibraciones, el empuje de gases de explosión generados en las tronaduras también es responsable de los daños producidos en la pared final, por lo tanto la línea de fractura generada por el precorte también debe actuar como zona de evacuación de gases Teoría del precorte d Figura 1: Esquema de un banco de tronadura a cielo abierto T= Taco B= Burden H= Altura de banco J= Pasadura E= Espaciamiento Exp= Carga con explosivos El objetivo de un precorte es minimizar las presiones en el pozo para generar grietas entre pozos adyacentes de la línea del precorte. En este proceso es importante considerar una línea de pozos con pequeño espaciamiento, una baja densidad lineal de carga de explosivo y una simultaneidad en la iniciación de los pozos. El plano de debilidad se genera mediante una grieta que se extiende a lo largo de los pozos de precorte y se determina mediante la presión en las paredes del pozo. Para un

3 explosivo acoplado, la presión se calcula por la expresión: =110 = Presión en las paredes del pozo () = Densidad del explosivo (/ ) = Velocidad de detonación del explosivo (/) Para el cálculo de la presión en las paredes del pozo de un explosivo desacoplado, se utiliza la expresión: =110 Donde f es la razón de desacoplamiento, definida como la relación entre el volumen del explosivo y el volumen del pozo. El exponente n se estima igual a 1.25 para pozos secos y 0.9 para pozos con agua: = = Diámetro explosivo = Diámetro del pozo = Largo del pozo = Largo columna explosiva Propiedades de la roca Como en todas las prácticas de tronadura, las características de la geología ejerce gran influencia en sus resultados, especialmente en el precorte. a) Parámetros Resistivos: Para minimizar el daño tras la fila del precorte, el esfuerzo inducido no debiera exceder la resistencia a la tracción de la roca, en el plano. Pero para lograrlo se requiere utilizar una línea de precorte con pozos extremadamente juntos, lo cual se lograría con cargas extremadamente pequeñas y con iguales separaciones entre pozos. b) Control Estructural La naturaleza y orientación de las discontinuidades en el macizo rocoso son críticas en el resultado del precorte. Los factores geoestructurales que afectan el resultado del precorte son: La frecuencia de fractura a lo largo de la línea de precorte, el ángulo formado entre la línea de precorte y las estructuras, y el relleno de las fracturas Diámetros de perforación Los mejores resultados de precorte se obtienen con diámetros pequeños de perforación, sin embargo, hay que tomar en cuenta la longitud del banco a perforar y las desviaciones de los pozos Espaciamiento entre pozos El espaciamiento entre los pozos del precorte se reduce, si lo comparamos con el espaciamiento en una fila amortiguada. Esta disminución de espaciamiento se aplica principalmente para que exista una interacción entre pozos, debido a que a éstos se les ha reducido la carga considerablemente con el objeto de generar bajas presiones en sus paredes. Existen también algunas reglas para definir el espaciamiento entre pozos, como por ejemplo: = = Espaciamiento () = Diámetro de perforación () K es una constante entre 14 y 16 (algoritmo propuesto por Sutherland en 1989). La fórmula general que se utiliza y aplica para el cálculo de espaciamiento en Chile es la siguiente: = ( + )

4 = Espaciamiento () = Resistencia a la tracción de la roca () = Presión de detonación en el barreno () = Diámetro de perforación () El espaciamiento no considera las características estructurales de la roca Inclinación del precorte Realizar un precorte mediante una perforación inclinada permite maximizar los beneficios respecto a la estabilidad de los taludes. Estas inclinaciones fluctúan en el rango de 15 a 30 grados, obteniéndose mejores resultados cuando la inclinación es mayor, aunque en estos casos la dificultad en la perforación será mayor Factor de carga γ= π 4 D ( (12R+1) ) 110 = Factor de carga ( ) = Índice de acoplamiento = Relación = Resistencia a la compresión no confinado () = Densidad del explosivo (/ cm ) = Velocidad de detonación (/s) = Diámetro de perforación () Secuencia de salida El precorte debe ser iniciado separada o conjuntamente con la tronadura de producción, sólo con una diferencia de a lo menos 100 ms, previo a la tronadura de producción. Respecto a los intervalos entre pozos del precorte, la teoría de formar una grieta de tensión entre dos pozos implica una detonación simultánea de ellos Efectos de la exactitud de la perforación La importancia de la exactitud de la perforación puede no ser considerada cuando se diseña un precorte, pero ésta tiene una gran relevancia debido al paralelismo que debe existir entre pozos, ya que de lo contrario, puede ser la causa de perfiles irregulares. 2.2 Voladura amortiguada Provee algún control sobre el número de fragmentos y la dirección en la cual estos vuelan, esto permite que el equipo de carguío se ubique muy cerca de la detonación sin mayor riesgo. Usualmente se ocupan diámetros menores de perforación y mallas más reducidas con respecto a la tronadura de producción. Existen dos tipos de definición de este método: a) Por análisis de velocidad crítica de la roca b) Por reducción de presión en las paredes del barreno Análisis de velocidad crítica de la roca Se simulan las tronaduras, de modo de predecir las vibraciones que se generen tras la última fila de tiros. Es necesario definir el valor máximo de velocidad de partículas que se ocupará y a que distancia de la cara libre. Para definir la malla se controlan las variables diámetro de perforación y factor de carga

5 Diámetro de perforación Si se mantiene el diámetro con respecto a la tronadura de producción, el burden y espaciamiento (E) debiesen reducirse de 0,6 a 0,8 veces. En caso de disminuir el diámetro, el burden (B) y espaciamiento (B) deben estar en el rango de 0,7 a 0,9 veces su valor nominal Factor de carga Se ocupa una carga explosiva tal que se mantiene el factor de carga con respecto a una tronadura de producción, sin embargo esto sólo es proporcional pues la malla será de un tamaño menor y en definitiva la carga también será de un valor mas bajo Reducción de la presión en las paredes En esta variante se trabaja con dos supuestos fundamentales: i) El burden (B) debe ser del orden de 0,5 a 0,8 el burden de una tronadura de producción y el espaciamiento (E) alrededor de 1,25 el burden ii) Se define la carga por barreno pero disminuyendo la presión en un 60% Esto se controla ocupando la siguiente ecuación: P = 0,6 P E B E B : Presión en tronadura amortiguada : Presión en tronadura de producción : Espaciamiento en tronadura amortiguada : Espaciamiento en tronadura de producción : Burden en tronadura amortiguada : Burden en tronadura de producción Luego se calcula el desacople del explosivo en el pozo: P =P ( C r r ) : Presión con carga desacoplada : Presión con carga sin desacoplar : % de la columna de explosivo cargada : radio de la carga explosiva : radio del barreno n =1,25 para perforaciones secas; n= 0,9 para perforaciones con agua Entonces habrán dos maneras, una opción es ocupar explosivos de diámetro menos al de la perforación; y determinar imponiendo =1. La otra alternativa es ocupar = y así encontrar el valor de, ocupando tacos de aire o espaciamiento. Es usual usar barro en lugar de grava como material de taco en estos casos. La razón de esto es que, dado que la longitud del taco no será excesiva, el barro no se trabará en las paredes del barreno pero dará el intervalo de tiempo necesario para que mientras el barreno es expulsado el barreno alcance la presión adecuada. Al utilizarse estos rangos de distancia, se obtiene el máximo amortiguamiento por aire.; en consecuencia la roca se fragmentará en un mínimo de pedazos. En esta técnica ocurrirá el mínimo de roca en vuelo y normalmente la roca sólo se despejará de su lugar. Si se desean más fragmentos, el colchón de aire debe

6 reducirse incorporando más taco dentro del barreno. Mientras mayor sea el taco se obtendrá mayor número de fragmentos y también aumentará la violencia 2.3 Voladura o tronadura de producción El objetivo de la voladura de producción, como su nombre lo indica, es la separación del mineral de interés del macizo rocoso, además de disminuir el tamaño de las rocas con el objetivo de hacer más fácil su transporte al área de producción. Esta puede ser precedida por una voladura de pre corte que separa la roca del macizo, con esto disminuyen las vibraciones (y con esto riesgos) que produce la voladura de producción, ya que se necesita solo energía para disminuir el tamaño de la roca desalojada, luego puede existir una voladura de recorte en caso que se requiera disminuir aun más el tamaño de la roca desalojada Diseño de voladura de producción El diseño de voladuras debe abarcar los conceptos fundamentales de un diseño de voladuras ideal de los cuales son modificados cuando es necesario para compensar las condiciones geológicas específicas del lugar. Para poder evaluar un plan de voladura, este debe tomarse por partes y cada variable o dimensión debe ser evaluada. Un plan de voladura debe diseñarse y revisarse paso por paso. El diseño de la voladura de producción se basa en factores tales como: volumen de roca según la producción. Tipo de roca y condiciones geológicas. Propiedades físico-mecánicas de la roca. Trabajos de perforación. Tipo de explosivo y propiedades. Sistema de iniciación Parámetros dimensionales de voladura. Diseño minero previo Bordo o Burden La dimensión del bordo se define como la distancia más corta al punto de alivio al momento que el barreno detona. Figura (2).El alivio se considera normalmente como la cara original del banco o bien como una cara interna creada por una hilera de barrenos que han sido disparados previamente con un retardo anterior, la selección de bordo apropiado es una de la decisiones más importantes que hay que hacer en cualquier diseño de voladuras. Si los bordos son demasiado pequeños, la roca es lanzada a una distancia considerable de la cara. Los niveles de golpe de aire son altos y la fragmentación puede resultar demasiado fina, por el otro lado si los bordos son muy grandes, dará como resultado el rompimiento trasero y el bronqueo de la cara final (lanzamiento de material hacia atrás).los bordos excesivos causan un exceso de confinamiento en los barrenos, lo que da como resultado niveles de vibración significativamente más altos por kilogramo que explosivo utilizado. Las otras variables de diseño son más flexibles y no producirán diferencias tan drásticas en los resultados como la misma proporción de error en la dimensión del bordo. Figura 2: Nomenclatura en voladura de bancos

7 Para definir la dimensión del bordo se utilizan distintas formulas empíricas entre ellas: a) Fórmula de Andersen Considera que el bordo es una función del diámetro y longitud del taladro: = B: Bordo : Diámetro del taladro, en pulgadas L: longitud del taladro, en pies. b) Fórmula de Langefors Considera además la potencia relativa del explosivo, el grado de compactación, una constante de la roca y su grado de fracturamiento: = 33 : Bordo () : Grado de compactación : Potencia relativa del explosivo : Constante para la roca : Grado de fractura. Para taladro vertical el valor es 1 : Espaciamiento entre taladros. : Diámetro de la broca () c) Fórmula de C.Konya Basada en las teorías del Dr.Ash determina el bordo con base en la relación entre el diámetro de la carga explosiva y la densidad, tanto del explosivo como de la roca, según: =(3,15) B: Bordo () : Diámetro del explosivo () : Densidad del explosivo (/ ) : Densidad de la roca (/ ) Espaciamiento Es la distancia entre taladros de una misma fila que se disparan con un mismo retardo o con retardos diferentes y mayores en la misma fila. Se calcula en relación con la longitud del bordo, a la secuencia de encendido y el tiempo de retardo entre taladros. Al igual que con el burden, espaciamientos muy pequeños producen un exceso de trituración y caracterización en la boca del taladro, lomos al pie de la cara libre y bloques de gran tamaño en el tramo del bordo. Por otro lado, espaciamientos excesivos producen fracturación inadecuada, lomos al pie del banco y una cara libre frontal muy irregular. En la práctica, normalmente es igual al bordo para malla de perforación cuadrada E=B y de E=1,3 a 1,5 B para malla rectangular o alterna Columna explosiva es la parte activa del taladro de voladura, también denominada longitud de carga donde se produce la reacción explosiva y la

8 presión inicial de los gases contras las paredes del taladro. Es importante la distribución de explosivo a lo largo del taladro, según las circunstancias o condiciones de la roca. Usualmente comprende de ½ a 2/3 de la longitud total y puede ser continua o segmentada. Así pueden emplearse cargas solo al fondo, cargas hasta media columna, cargas a columna completa o cargas segmentadas (espaciadas, alternadas o Deck charges) según los requerimientos incluso de cada taladro de una voladura. La columna continua normalmente es empleada para rocas frágiles empleada para rocas frágiles o poco competentes suele ser del mismo tipo de explosivo, mientras que para rocas duras, tenaces y competentes se divide en dos partes: la carga de fondo (CF) y la carga de columna (CC) Malla Es la forma en la que se distribuyen los taladros de una voladura, considerando básicamente a la relación del bordo y espaciamiento y su directa vinculación con la profundidad de taladros Desplazamiento de roca Una forma de evaluar la calidad del disparo en la voladura de producción es el desplazamiento de rocas en general se requiere que el desplazamiento sea mínimo pero sin ser nulo y que el material triturado sea relativamente homogéneo y de tamaño tal que se pueda cargar y transportar. Figura 4: Distintas mallas de perforación Figura 3: Desplazamiento de roca

9 3. Conclusiones La tronadura es sin duda alguna una operación unitaria en el desarrollo minero, involucrando una ingeniería y técnica muy detallada y precisa. Con la ayuda de los diversos métodos de voladura se pueden lograr los objetivos requeridos para la faena en particular, siendo la voladura de producción la más importante pues está destinada a obtener el mineral, en consecuencia todo parámetro a utilizar debe ser bien calculado y previsto. sin lugar a dudas una buena planificación y un buen diseño son fundamentales para obtener resultados óptimos tanto en el tamaño del mineral extraído, como en la seguridad de las personas.