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TRONADURA EN MINERÍA SUBTERRÁNEA. TRONADURA EN LABORES DE DESARROLLO. Las voladuras en túneles y galerías se caracterizan por no existir, inicialmente, ninguna superficie libre de salida salvo el propio frente de ataque. El principio de ejecución se basa en crear un hueco libre con los barrenos de la rainura hacia el cual 2 rompen las cargas restantes de la sección. Dicho hueco tiene, generalmente, una superficie de 1 a 2 m , aunque con diámetros de perforación grandes se alcanzan hasta los 4 m 2. Ver Figura 0 con los diseños de las zonas y su denominación en la frente de una galería o túnel. Los barrenos de la zona de auxiliares, aunque sea comparable geométricamente a las voladuras en banco, requiere consumos específicos de explosivos entre 4 y 10 veces superiores, puesto que hay errores de perforación, menor hueco de esponjamiento e inclinación con respecto al eje de avance, menor cooperación entre cargas adyacentes y en algunas zonas existe la acción negativa de la gravedad, como ocurre con los barrenos de las zapateras. En cuanto a la posición de la rainura, esta influye en la proyección del escombro, en la fragmentación y también en el número de barrenos. De las 3 posiciones: esquinado, centrada inferior y centrada superior, se elige normalmente ésta última, ya que se evita la caída libre del material, m aterial, el perfil del escombro es más tendido, menos compacto y mejor fragmentado
La formación de esta cavidad central o rainura es la parte más importante de la operación y de ella depende la botada exitosa del disparo, ya que los hoyos restantes del disparo no pueden quebrar en forma efectiva a menos que la rainura se haya movido completamente fuera de la frente. Esto crea un espacio que permite la expansión y el movimiento de los tiros restantes. Por supuesto que la rainura no puede crear un espacio lo suficientemente grande como para acomodar la expansión de todo el disparo, es por esto que la mayor parte del movimiento e s hacia adelante.
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TRONADURA SUBTERRÁNEA. MÉTODO DE ROGER HOLMBERG.Para simplificar los cálculos de la carga, se divide la frente del túnel en 5 secciones, que salen secuenciadamente de acuerdo al siguiente orden:
1.- sección de las rainuras que salen hacia la frente del túnel, 2.- sección de los auxiliares, que salen horizontalmente o vertical hacia abajo, hacia la cavidad dejada por la rainura, 3.- sección de los hoyos laterales que salen horizontalmente 4.- sección de los hoyos de corona o techo que salen hacia abajo y 5.- sección de los hoyos de las zapateras que salen verticalmente hacia arriba. El tipo predominante de rainuras de tiros paralelos es el de 4 secciones, que se utilizará en el siguiente cálculo:
AVANCE.El avance está restringido por el diámetro del hoyo vacío y de la desviación en los hoyos pequeños. La economía demanda una utilización máxima de la profundidad total del hoyo. El laboreo se torna muy caro porque el avance es menor que el 95% de la profundidad del hoyo. La Figura 5 ilustra la profundidad requerida de hoyo en función del diámetro del hoyo vac ío cuando un avance de 95% se desea en una rainura de 4 secciones. H
P ro fu nd id ad d el h oy o 6
4
2
0.1
0.2
m Diámetro hoyo vacío Figura 5.- Diámetro hoyo vacío v/s Profundidad del hoyo
La ecuación para la profundidad de hoyo (H) se puede expresar como:
H 0.15 34.1 39.4 2 (m) donde es el diámetro del hoyo vacío en metros. El avance I es: I = 0.95H (m)
(1)
(2)
Las ecuaciones 1 y 2 son válidas sólo para una desviación en la perforación que no exceda de un 1 %. A veces en la rainura se usan 2 hoyos vacíos en vez de uno, por ejemplo, si el equipo de perforación no puede perforar en gran diámetro. La ecuación 1 es aún válida si se computa de acuerdo a lo siguiente:
3
d 0
2 (m)
(3)
donde d0 denota los diámetros de los dos hoyos vacíos. La geometría general para la rainura se indica en la figura 6.
V4
V1
V3
V2
FIGURA 6.- Rainura de cuatro secciones: V1 representa el burden práctico para el cuadrante 1
Burden del primer cuadrante.La distancia entre el hoyo vacío y los perforados en el primer cuadrante no debe ser mayor que 1.7 veces el diámetro del hoyo vacío, si se espera una fragmentación y desplazamiento satisfactorios. Las condiciones de fragmentación difieren mucho, dependiendo de la roca y la distancia de los hoyos cargados y el hoyo vacío. Como se muestra en la Figura 7, no hay ventajas en usar un burden mayor que 2 , ya que el ángulo de abertura es muy pequeño para la carga pesada. El único efecto de la tronadura sería una deformación plástica. Si la distancia es aún más pequeña que 2 , la concentración muy grande de carga causaría un mal funcionamiento de la rainura debido a la compactación e incrustación de la roca que evita el esponjamiento necesario. Si la desviación de hoyo máxima aceptada es de 0.5 a 1%, entonces el burden práctico (V 1) para los hoyos de ayuda de la rainura debe ser menor que el burden máximo (V = 1.7 ) V1 = 1.5 (m)
(4)
4
Cuando la desviación excede del 1% tiene que reducirse aún más. Luego se debe usar la siguiente fórmula: V 1 1.7 H (m) (5) donde el último término representa la desviación máxima de perforación (F), α es la desviación angular (mm/m), H es la profundidad del hoyo (m) y es la desviación de la boca del hoyo en metros. En perforación precisa, es suficiente usar la ecuación (4).
V1 Burden (m) Deformación plástica 0.6 0.5
d Quebradura V1 = 1.5
0.4 V1 0.3 0.2
Tronadura limpia
0.1 0 0.1
0.2
Hoyos se encuentran 0.3
Hoyo vacío (m)
FIGURA 7.- Diámetro hoyo vacío v/s Burden V1
Concentración de carga en el primer cuadrante.Langefors y Kihlstrom (1963) verificaron la siguiente relación entre la concentración de carga ( l ) y el diámetro del hoyo vacío para un hoyo con un diámetro de 0.032 m.
V l 1.5
1.5
V (kg/m) 2
(6)
Para utilizar el explosivo en mejor forma, se debe usar un burden V1 = 1.5 para una desviación de 0.5 a 1%. Se debe recordar que la ecuación (6) es válida sólo para un diámetro de hoyo de 32 mm. Si se usan hoyos más grandes, se debe usar una concentración de carga aumentada por metro de hoyo. Para mantener la fragmentación al mismo nivel es necesario aumentar la concentración aproximadamente en proporción al diámetro. Así, si se usa un diámetro d en vez de d 1 = 32 mm. la concentración de carga se determina por:
l
d d 1
l1
(7)
Obviamente cuando se aumenta el diámetro, significa que la razón de acoplamiento y la presión del hoyo disminuyen. Es importante seleccionar cuidadosamente el explosivo adecuado para minimizar el riesgo del efecto canal y una d etonación parcial. Considerando el tipo de roca y de explosivo, la ecuación (6) se puede replantear en términos de un diámetro general de perforación:
5
1.5
V c l 55d V / S anfo (Kg/m) 2 0 . 4
(8)
A menudo los valores posibles para la concentración de carga son más bien limitados debido a las variadas restricciones de los fabricantes de explosivos. Esto significa que la concentración de carga se da y el burden se calcula de la ecuación (8). donde Sanfo es la potencia en peso relativa al ANFO y c es la constante de la roca.
Constante de la roca.El factor c es una medida empírica de la cantidad de explosivo necesario para remover un metro cúbico de roca. Las experiencias en terreno, por las cuales se determina los valores de c, se efectuaron en una tronadura en banco. Se presume que la constante de la roca determinada de esta forma también da una buena aproximación para las propiedades de la roca en túneles. En la tronadura de prueba se determinó que fluctuaba muy poco. La tronadura en granito cristalino quebradizo dio c = 0.2. Prácticamente en todos los otros materiales, desde arenisca a granito más homogéneo, se encontró un valor para c de 0,3 a 0.4 kg/m.
Segundo cuadrante.Después que se calcula el primer cuadrante, se aplica una nueva geometría para resolver el burden para los siguientes cuadrantes. Al tronar hacia un hoyo circular, demanda una concentración de carga más alta que tronar hacia una cara recta, debido a una construcción mayor y si se conoce el burden V (Figura 8), la concentración de carga l , relativa al ANFO se da por :
l
32.3dcV
Sanfosenarctg B / 2V
1.5
(kg/m)
(9)
Si asumimos que la concentración de carga para el explosivo y la abertura rectangular de ancho B se conocen, el burden V se puede expresar explícitamente con buena aproximación como función de B y l. 2 BlS anfo V 8.8 x10 (m) (10) dc Cuando se calcula el burden para el nuevo cuadrante, se debe incluir el efecto de la desviación de la perforación F. Esto se hace tratando los hoyos en el primer cuadrante como si fueran colocados en la ubicación más desfavorable (Figura 9 ).
6
V2
d d B B
B'
F V2
V1
FIGURA 8.- Geometría de una tronadura hacia una cara libre
FIGURA 9.- Influencia de la desviación de los hoyos.
De la Figura 6 se puede ver que la superficie libre B que se debiera usar en la ecuación (10) difiere de la distancia al hoyo B’ en el primer cuadrante.
B
2 (V1 - F) (m)
(11)
Por substitución, el burden para el nuevo cuadrante es :
V 10.5 x10
2
V F lS anfo 1
dc
(m)
(12)
Por supuesto que este valor tiene que reducirse por la desviación de la perforación para obtener el burden práctico: V 2 V F (m) (13) Hay unas pocas restricciones que se deben poner a V2. Debe satisfacer lo siguiente: V2 ≤ 2B
(14)
Si no se desea una deformación plástica. Si no ocurre, usando la ecuación (9) y (14) la concentración de carga se reduciría a :
l
o,
32.3dc2 B
S anfo senarctg1 / 4
l 540dcB / S anfo
1.5
(kg/m)
(15)
(kg/m)
(16)
Si no se satisface la restricción para la deformación plástica, es mejor elegir un explosivo con una potencia en peso menor para optimizar la fragmentación. El ángulo de abertura debería ser menor que 1.6 rad. (90°), si no la rainura perderá su carácter de rainura de 4 secciones. Esto significa que: V2 > 0.5B
(17)
Gustafsson (1973) sugiere que el burden para cada cuadrante sea V 2 = 0.7B’ del lado del último cuadrante no debe ser mayor que la raíz cuadrada del avance. Los hoyos en los cuadrantes se deben cargar de manera que el largo del hoyo (h) igual a 10 veces el diámetro, se deje como taco: H = 10d (m) (18)
7
Zapateras.El burden para las zapateras en un disparo se calcula, en principio, con la misma fórmula que para la tronadura en banco. La altura del banco simplemente se reemplaza por el avance y se usa un factor de fijación debido al efecto gravitacional y a un mejor intervalo de tiempo entre los hoyos. El burden máximo se puede determinar usando:
lS anfo
V 0.9
cf E / V
(m)
(19)
donde f es el factor de fijación, (E/V) es la relación entre el espaciamiento y el burden y c es la constante corregida de la roca. Para las zapateras se utiliza un F = 1.45 y un (E/V) = 1 c = c + 0.05 c = c + 0.07/V
V≥ 1.4m. V < 1.4m.
(20)
Cuando se ubican las zapateras, se debe considerar el ángulo de vigía. Figura 9 La magnitud del ángulo depende del equipo de perforación disponible y de la profundidad del hoyo. Para un avance de alrededor de 3m., un ángulo de vigía igual a 0.05 rad. (3°) (correspondiente a 5 cm/m) debería ser suficiente para proporcionar espacio para perforar el próximo disparo. El espaciamiento de los hoyos debe ser igual a V. Sin embargo, esto varía dependiendo del ancho del túnel.
El número de zapateras está dado por:
Ancho.del.túnel 2 Hsen 2 V
N Entero.de
El espaciamiento E L para los hoyos (con excepción de los hoyos de las esquinas) está dado por:
(21)
8
E L
Ancho.del .túnel 2 Hsen N 1
(m)
(22)
El espaciamiento práctico E’ L para los hoyos de las esquinas es: E’L = EL – Hsenγ
(m)
(23)
El burden práctico VL se debe reducir por el ángulo de vigía y la desviación de la perforación VL = V – Hsenγ – F
(m)
(24)
La longitud de la carga de fondo (hb) necesaria para remover la pata es : hb = 1.25VL
(m)
El largo de la columna de carga (hc) es: hc = H – hb – 10d
(m)
(25)
(26)
y la concentración de esta carga se puede reducir a 70% de la concentración de la carga de fondo. Sin embargo, esto no se hace siempre debido a que es un trabajo que consume tiempo. Generalmente se usa la misma concentración en el fondo y en la columna. Para las zapateras se usa un taco de 10d. Si se va a usar la ecuación (19), se debe cumplir lo siguiente: V ≤ 0.6H
(m)
(27)
De otra forma el burden máximo se debe reducir bajando la concentración de carga. Luego se puede evaluar el espaciamiento práctico E L y el burden VL.
Factor de fijación.En las fórmulas se usan diferentes factores de fijación f para calcular el burden en diferentes situaciones. Por ejemplo, en tronadura en banco con hoyos verticales ubicados en fila, f =1. Si los hoyos son inclinados se hace más fácil remover la pata. Es por esto que se usa un factor menor (f < 1) para un hoyo inclinado. Esto implica un burden más grande. En túneles, se dispara un número de hoyos con un mismo retardo. A veces los hoyos tienen que remover el burden hacia arriba y a veces hacia abajo. Se usan diferentes factores de fijación para incluir los efectos de hoyos múltiples y de la gravedad.
Hoyos auxiliares.El método para calcular los hoyos auxiliares no difiere mucho del cálculo de las zapateras. Para los hoyos auxiliares que quiebran horizontalmente y hacia arriba se usa un factor f = 1.45 y una relación E/V de 1.25. El factor f para los hoyos auxiliares que quiebran hacia abajo se reduce a f = 1.2 y E/V es 1.25. La concentración de la carga de columna para ambos tipos de auxiliares debería ser igual al 50% de la concentración de la carga de fondo.
9
Hoyos de contorno.Si la tronadura suave no es necesaria, el burden y el espaciamiento de los hoyos de contorno se calculan de acuerdo a lo que se dijo previamente de las zapateras, con las siguientes excepciones: (1) f = 1.2, (2) E/V = 1.25, (3) concentración de la carga de columna es del 50% de la concentración de la carga de fondo. Los daños por tronadura en techo y paredes en una labor subterránea a menudo necesitan una cantidad excesiva de soporte. En rocas de baja resistencia, se debe efectuar una tronadura de contorno cuidadosa. Un hoyo de 3m con ANFO (1.5 kg/m) es capaz de producir una zona dañada con un radio de 1.5m. Con tronadura suave esta zona dañada se reduce al mínimo. La experiencia muestra que el espaciamiento es una función lineal del diámetro del hoyo (Persson 1973). E = kd
(m)
(28)
Donde k está en razón de 1 a 15, se debe usar un E/V = 0.8. Para hoyos de 41mm de diámetro, el espaciamiento será de alrededor de 0.6m y el burden de 0.8m. La concentración de carga mínima por metro de hoyo es también una función del diá metro. Para diámetros de 0.15m se aplica la relación.: 2
I =90d (m) En tronadura suave el largo total del hoyo se debe cargar para evitar que cause hendeduras.
(29)
