Minería MI3130, Departamento Ingeniería Civil de Minas - U

Minería MI3130, Departamento Ingeniería Civil de Minas, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Universidad de Chile
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.
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Activación: Fuente de energía inicial que
activa todo el conjunto de tiros de la
tronadura.
2. Métodos de 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, y otros parámetros.
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.
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. Dividiéndose 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.
2.1 TRONADURA DE PRECORTE
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.
2.1.1 Teoría del precorte
d
Figura 1: Esquema de un banco de tronadura
a cielo abierto
Donde:
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
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explosivo acoplado, la presión se calcula por
la expresión:
𝑃𝑏𝑖 = 110 ∙ 𝑑𝑒𝑥𝑝 ∙ 𝑉𝑂𝐷 2
Donde:
𝑃𝑏𝑖 = Presión en las paredes del pozo (𝑀𝑝𝑎)
𝑑𝑒𝑥𝑝 = Densidad del explosivo (𝑔/𝑐𝑚3 )
𝑉𝑂𝐷 = Velocidad de detonación del
explosivo (𝑘𝑚/𝑠)
Para el cálculo de la presión en las paredes
del pozo de un explosivo desacoplado, se
utiliza la expresión:
𝑃𝑏 = 110 ∙ 𝑓 𝑛 ∙ 𝑑𝑒𝑥𝑝 ∙ 𝑉𝑂𝐷 2
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:
𝑓=
𝐷𝑒 2 𝑙
∙
𝐷ℎ 2 𝐻
Donde:
𝐷𝑒 = Diámetro explosivo
𝐷ℎ = Diámetro del pozo
𝐻 = Largo del pozo
𝑙 = Largo columna explosiva
2.1.2 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.
2.1.3 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.
2.1.4 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:
𝑆 =𝐾∙𝑑
Donde:
𝑆 = Espaciamiento (𝑚𝑚)
𝑑 = Diámetro de perforación (𝑚𝑚)
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:
𝑆 = 𝐷ℎ ∙
(𝑃𝑏 + 𝑇)
𝑇
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Donde:
𝑆 = Espaciamiento (𝑚𝑚)
𝑇 = Resistencia a la tracción de la roca
(𝑀𝑝𝑎)
𝑃𝑏 = Presión de detonación en el barreno
(𝑀𝑝𝑎)
𝑑 = Diámetro de perforación (𝑚𝑚)
El
espaciamiento
no
considera
características estructurales de la roca
las
2.1.8 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.
2.1.5 Factor de carga
𝑅
π
Dh
γ= ∙
∙[
4 (12R + 1)
1⁄
𝑛
1
∙ 𝑑𝑒𝑥𝑝 (1−𝑛) ∙ 𝑈𝐶𝑆
110
1⁄
𝑛
∙ 𝑉𝑂𝐷
2⁄
𝑛
1⁄
𝑛
2.2 Voladura amortiguada
]
Donde:
𝑘𝑔
𝛾 = Factor de carga ( ⁄𝑚2 )
𝑛 = Índice de acoplamiento
𝑃
𝑅 = Relación 𝑏⁄𝑈𝐶𝑆
𝑈𝐶𝑆 = Resistencia a la compresión no
confinado (𝑀𝑝𝑎)
𝑑𝑒𝑥𝑝 = Densidad del explosivo (𝑔/ cm3 )
𝑉𝑂𝐷 = Velocidad de detonación (𝑘𝑚/𝑠)
𝐷ℎ = Diámetro de perforación (𝑚𝑚)
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)
2.1.6 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
2.1.7 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.
b)
Por análisis de velocidad
crítica de la roca
Por reducción de presión en
las paredes del barreno
2.2.1 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
partículas que se
ocupará y a que distancia de la cara libre.
máximo de velocidad de
Para definir la malla se controlan las
variables diámetro de perforación y factor
de carga
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Donde:
2.2.1.1 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
2.1.1.2 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.
2.2.2 Reducción de la presión en las
paredes
En esta variante se trabaja
supuestos fundamentales:
con
dos
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:
Pa =
0,6 ∙ Pp ∙ Ea ∙ Ba
Ep ∙ Bp
𝑃𝑎 : Presión en tronadura amortiguada
𝑃𝑝 : Presión en tronadura de producción
𝐸𝑎 : Espaciamiento en tronadura amortiguada
𝐸𝑝 : Espaciamiento en tronadura de
producción
𝐵𝑎 : Burden en tronadura amortiguada
𝐵𝑝 : Burden en tronadura de producción
Luego se calcula el desacople del explosivo
en el pozo:
rc
Pd = P ∙ (√C ∙ )2n
rh
Donde:
𝑃𝑑 = Presión con carga desacoplada
𝑃 = Presión con carga sin desacoplar
𝐶 = % de la columna de explosivo cargada
𝑟𝑐 = Radio de la carga explosiva
𝑟ℎ = 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 𝑟𝑐 imponiendo 𝐶 =
1. La otra alternativa es ocupar 𝑟𝑐 = 𝑟ℎ y así
encontrar el valor de 𝐶 , 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
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reducirse incorporando más taco dentro del
barreno. Mientras mayor sea el taco se
obtendrá mayor número de fragmentos y
también aumentará la violencia
·Diseño minero previo.
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.
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.
2.3.1 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.
2.3.1.1
Bordo
o
Burden
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.
Figura 2: Nomenclatura en voladura de
bancos
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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 = √∅ ∙ 𝐿
Donde:
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:
𝑑𝑏
𝑃 ∙ 𝑆
𝐵 =( )∙ √
𝐸
33
𝑐 ∙ 𝑓 ∙ ( )
𝐵
Donde:
𝐵 = Bordo (𝑚)
𝑃 = Grado de compactación
𝑆 = Potencia relativa del explosivo
𝑐 = Constante para la roca
𝑓 = Grado de fractura. Para taladro vertical el
valor es 1
𝐸 = Espaciamiento entre taladros.
𝑑𝑏 = Diámetro de la broca (𝑚𝑚)
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 𝜌𝑒
𝐵 = (3,15) ∙ ∅𝑒 ∙ √
𝜌𝑟
Donde:
𝐵 = Bordo (𝑝𝑖𝑒𝑠)
∅𝑒 = Diámetro del explosivo (𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠)
𝜌𝑒 = Densidad del explosivo (𝑔/𝑐𝑚3 )
𝜌𝑟 = Densidad de la roca (𝑔/𝑐𝑚3 )
2.3.1.2 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.
2.3.1.3Columna explosiva
es la parte activa del taladro de voladura,
también denominada” longitud de carga”
donde se produce la reacción explosiva y la
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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.
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).
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.
2.3.1.5Malla
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.
2.3.1.4
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 3: Desplazamiento de roca
Figura 4: Distintas mallas de perforación
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3. Conclusiones
Referencias
La tronadura es sin duda alguna una
operación unitaria vital 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.
[1] López Jimeno, C. Manual de perforación y
voladura de rocas. 2003. Instituto
Tecnológico Geominero de España
[2] Konya, Calvin; Albarrán, Enrique. Manual
de Voladura.1998.
[3] Osorio, Rafael. Manual práctico de
voladura. 2001. EXSA.
[4]Instituto Tecnológico Geominero de
España. Manual de perforación y voladura
de rocas. 1994. Instituto Tecnológico
Geominero de España.
[5] Material del curso MI47A-1 Perforación y
Tronadura . https://www.ucursos.cl/ingenieria/2009/2/MI47A/1/material_
docente/