Voladura de Rocas EXSA

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Curso Voladura EXSA - Octubre 2006

Capítulo-2 Instrumentación, Monitoreo e Interpretación de Vibraciones por

Ing. Carlos R. Scherpenisse

INGENIERÍA E

INSTRUMENTACIÓN EN TRONADURA

Octubre - 2006

ASP Blastronics

1

Conceptos Generales de Monitoreo e Interpretación de Vibraciones ! Características de las Vibraciones (Ondas) ! Tipos de Sensores (Transductores) ! Instalación y Acoplamiento de los Sensores ! Dirección y Orientación de los Sensores ! Equipos de Adquisición y Análisis ! Análisis e Interpretación de las Vibraciones

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ASP Blastronics (Chile) / GAI-Tronics (Perú)

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Característica de las Vibraciones 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 distintas direcciones, con intensidades que dependerán del poder energético del explosivo y la geometría involucrada.

3

Característica de las Vibraciones Cuando se desea medir eventos de características transientes, se deben considerar tres aspectos:

! La respuesta en frecuencia del detector ! La repuesta en frecuencia del instrumento que almacena la información ! La localización y método de acoplamiento del detector

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Característica de las Vibraciones Tipos de Ondas ONDA DE COMPRESIÓN (P) Consiste en una serie de movimientos de compresión y tensión, con oscilaciones de las partículas en la misma dirección de propagación. ONDA TRANSVERSAL (S) Consiste en oscilaciones de la partícula en forma transversal a la dirección de propagación de la onda. ONDA RAYLEIGH (R o SUPERFICIAL) Son generadas en la superficie en respuesta a la interacción de las ondas p y s con la superficie. 5

Característica de las Vibraciones Tipos de Ondas ONDAS INTERNAS Dilatación

Compresión

Partícula en movimiento

ONDAS COMPRESIONALES

P

DIRECCIÓN DE PROPAGACIÓN ONDAS TRANSVERSALES

S

Partícula en movimiento

ONDAS SUPERFICIALES Trayectoria de las partículas

Dirección de propagación de la onda

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Instrumentación para Monitoreo de Vibraciones La instrumentación que se utiliza para medir las vibraciones de la roca inducidas por voladura, consta de los siguientes componentes: ! Transductores (geófonos o acelerómetros) que se instalan en forma solidaria a la roca ! Un sistema de cables que llevan la señal captada por los transductores al equipo de monitoreo ! Un equipo de adquisición, el cual recibe la señal y la guarda en memoria ! Un computador, el cual tiene incorporado el software requerido para el traspaso de la información desde el equipo monitor, y su posterior análisis.

7

Instrumentación para Monitoreo de Vibraciones Tipo de Sensores (Transductores) Gran parte de las capacidades y ventajas de la técnica de monitoreo de vibraciones descansa en la habilidad para recolectar datos de vibración de buena calidad. La característica de estos datos tiene directa relación con el tipo de transductor utilizado, la técnica empleada para su instalación y orientación. Los dos tipos básicos de transductores usados para medir las vibraciones del terreno son el acelerómetro y el geófono. En la práctica, la selección de los transductores es un compromiso entre la precisión, el costo y la relación señal ruido.

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Instrumentación para Monitoreo de Vibraciones Instalación de Sensores (Transductores) La cantidad de información utilizable de cada registro de vibraciones depende de la ubicación y orientación de los transductores. La forma de la onda recibida es función de lo siguiente:

! ! ! ! !

Propiedades y cantidad de explosivo Configuración geométrica de la fuente y detector Orientación del detector Propiedades del transductor Propiedades de la roca (ej. Velocidad de Onda-P)

9

Instrumentación para Monitoreo de Vibraciones Número de Sensores (Transductores) El número de transductores usados depende de la cantidad de información requerida. Si el interés principal es confirmar la detonación de cada carga (o grupo de cargas en cada retardo), o la medición de la dispersión de los retardos, entonces se requerirá solo un transductor y su localización no será muy crítica. Si se desea examinar la contribución de cada carga de la voladura, o si el interés es conocer la forma de la onda por cada componente, la fuente generadora de cada vibración debe ser conocida. Se requiere para esto una cuidadosa ubicación y selección del número de transductores a utilizar.

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Tipo de Sensores (Transductores) Acelerómetro Elemento de Cristal Piezo Eléctrico

Unidad Central Fija

X M3

Unidad Central Móvil

F

X3 k

L

F Mb

Masa Móvil

Xb

Fθ=Fo sin ωt

Base del Acelerómetro

O

Características Generales - Mejor respuesta en un amplio rango de frecuencias (1Hz a 20.000Hz) - Su unidad de medida es el g (1g=9.8 m/s2), con rangos de 0-250g. - No poseen partes móviles, lo que resulta en una mayor fiabilidad - La deformación del cristal piezoeléctrico genera voltajes muy pequeños que deben amplificarse con elementos externos - Son de pequeño tamaño - Alto costo (aprox. US$ 1.000)

11

Tipo de Sensores (Transductores) Geófono Resortes fijando bobinas

Polos

Rígido

N Rd S

F

Bobinas Estructura

m X(t)

k

D

Xr(t)

Características Generales -

Su unidad de medida es el Volt/mm/s Entregan una medición directa de la velocidad Miden bien en el rango de 1mm/s hasta 1200mm/s Su respuesta a la frecuencia varía entre 4.5 a 1000 Hz La sensibilidad varía entre 0.003Volts/[mm/s] a 0.041Volts/[mm/s] Bajo costo (aprox. US$ 100).

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Sensibilidad de un Geófono Terminales de Salida

29 mVolts Aspecto Real S

Representación esquemática

N

Sensib. Resist.

= 0.029 Volts / [mm/s] = 375 Ohm Por cada 1 mm/s

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Respuesta en Frecuencia de un Geófono

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Sensibilidad de un Geófono

Resistencia Shunt Rs = 1500 Ohm S

Resistencia Total Rt = (Rs x Rg)/(Rs + Rg)

N

Sensib. Resist.

Nueva Sensibilidad S* = Sg x (Rt/Rg)

= 0.029 Volts / [mm/s] = 375 Ohm

Rt* = 300 Ohm S* = 0.023 Volts /[mm/s]

15

Interpretación de los Signos

-

+ S

N

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Interpretación de los Signos

-

+ S

N

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Interpretación de los Signos TIRO A

TIRO B

VISTA EN PLANTA Geófonos H2

H1 A

Retardo 2

B

Retardo 4

VERTICAL

Taco HORIZONTAL 2

HORIZONTAL 1

Arreglo Triaxial

Dirección de las flechas indican una respuesta positiva del transductor

Retardo 1

1

2

Retardo 3

3

4

+

+

-

-

-

-

+

+

-

+

-

+

HORIZONTAL 1 HORIZONTAL 2 VERTICAL

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Interpretación de los Signos Cara Libre

(a)

(b)

[ [

Geófono [mm/s] +500

Señal Tiro (a)

Señal Tiro (b) (+)

0 (-) ±500

0.0

0.2

0.4

0.6 TIEMPO [ms]

0.8

1.0

1.2

19

Vibraciones por Voladuras Cada Carga Explosiva genera una Onda de Vibración 100

Velocidad de Partículas

50

0

-50

Tiempos de Detonación -100 2300

2400

2500 2600 TIEMPO [ms]

20

2700

2800


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Instalación y Orientación de los Geófonos La Tronadura actúa como una Fuente Sísmica

Vertical

Línea de Propagación Directa de la Ondulación

Punto de Monitoreo Transversal Longitudinal (Radial)

21

Instalación y Orientación de los Geófonos GEÓFONO VERTICAL

Arreglo Triaxial

PERFIL DE ALUMINIO

GEÓFONO TRANSVERSAL

GEÓFONO RADIAL

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Instalación y Orientación de los Geófonos Orientación Para realizar una adecuada interpretación de los datos de vibración, que permitan analizar la secuencia real de iniciación de un determinado número de cargas, en asociación con la posición relativa entre ésta y el transductor, es necesario tener absoluta certeza de la orientación real del transductor.

Acoplamiento Una vez que el transductor está ubicado en la perforación de monitoreo y correctamente orientado, su posición debe ser asegurada por medio de cemento con características de hormigón, el cual proporciona mejor acoplamiento.

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Instalación y Orientación de los Geófonos

En Superficie Útil para medición relativa en el Campo Cercano (tiempos y secuencia de detonación), y de uso frecuente para medición en el Campo Lejano.

Dentro del Macizo Rocoso Útil para medición de valores absolutos en el Campo Cercano.

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Instalación y Orientación de los Geófonos Monitoreo en Superficie para medición de Secuencia y Magnitudes relativas.

Geófono

Geófono

Radial

Radial

En Canteras o Cielo Abierto

En Minas Subterráneas

25


Geófono Triaxial

Geófono

Radial

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Instalación y Orientación de los Geófonos Tubo PVC (50mm ó 75mm)

Acoplamiento

Hormigón

G

Lo ideal es un diámetro muy parecido al del geófono

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Instalación y Orientación de los Geófonos Tubo PVC (50mm ó 75mm)

Acoplamiento Hormigón (con grava)

Impedancia Acústica Zr = dr x Vpr Zh = dh x Vph Cuando ambos materiales tienen similares impedancias, la energía vibracional perdida es mínima

G

Zh = Zr Donde : d= Densidad del material Vp=Velocidad Sísmica del medio

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Instalación y Orientación de los Geófonos Geófonos En superficie Roca alterada cerca de la superficie

Zona del Taco

Geófonos dentro del macizo Cargas Explosivas

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Instalación y Orientación de los Geófonos Posibles errores en la señal resultante por mal acople del Geófono

d

Método con perno o fierro

Método con pegamento

Señal distorsionada por oscilación del geófono

Señal más clara obtenida de la tronadura

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Hormigón (grava)

Acoplamiento en una labor (túnel o galería)

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Parámetros de una Onda T=1/f Vo

V = Vo x Sen(ωt) D = Vo 2π f

x Cos(ωt)

Con: ω=2xπ xf f = 1/T

A = Vo x 2π f x Cos(ωt) Donde: Vo T f D A

= = = = =

Amplitud de la vibración Período de la onda Frecuencia de la onda (f=1/T) Desplazamiento Aceleración

(mm/s) (ms) (Hz) (mm) (m/s2)

33

Equipo de Adquisición Componentes y Accesorios del BMX Monitor BMX (hasta 16 canales). Accesorios estándar para medición de vibraciones

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Equipo de Adquisición Componentes y Accesorios del UMX Monitor uMX (4 canales). Accesorios estándar para medición de vibraciones

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Equipo de Adquisición Modo de Activación Este se refiere a la manera en que el equipo se activa para comenzar a registrar las vibración producida por una tronadura

L Por Umbral (Threshold): el equipo se activa una vez que se supera un determinado nivel de perturbación ajustado previamente por el usuario. Se tiene la ventaja de poder posicionarse a gran distancia de la tronadura. L Por Cable Cortado (Wire Break): el equipo se activa con el inicio de la voladura debido a que el equipo se encuentra conectado a la misma por un cable que le da inicio. La ventaja de este método es poder verificar los tiempos de salida de cada barreno y hacer un diagnóstico general de la tronadura.

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Equipo de Adquisición Alta velocidad de conversión (análoga-digital) o frecuencia de muestreo (sample rate) Señal Real

Señal Digitalizada con 1 Dt/Pto.

Señal Digitalizada con 2 Dt/Pto.

37

Análisis del efecto del tiempo de muestreo sobre la Onda Frecuencia de Muestreo : 200us/Pto

800

862.5 [mm/s]

600

400

250 Hz

312.6 [mm/s] 200

89 Hz

0

-200

29 Hz 32 Hz

-237.2 [mm/s]

-400

-517.5 [mm/s]

-600

-800 800

900

Tiempo [ms]

38

1000


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800

722.2 [mm/s]

600

400

312.6 [mm/s] 200

0

-200

-237.2 [mm/s]

-400

-517.5 [mm/s]

-600

-800 800

900

1000

Tiempo [ms]

39

Análisis del efecto del tiempo de muestreo sobre la Onda 800

Frecuencia de Muestreo : 2000us/Pto

377.2 [mm/s]

600

400

312.6 [mm/s] 200

0

-200

-237.2 [mm/s]

-400

-517.5 [mm/s]

-600

-800 800

900

Tiempo [ms]

40

1000


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800

862.5 [mm/s]

600

400

226.3 [mm/s] 200

0

-200

-237.2 [mm/s]

-400

-517.5 [mm/s]

-600

-800 800

900

1000

Tiempo [ms]

41

Efecto sobre la Onda, según la resolución en tiempo de muestreo 312.6 [mm/s] 89 Hz

312.6 [mm/s] 29 Hz

312.6 [mm/s]

226.3 [mm/s]

200us/Pto

1000us/Pto

2000us/Pto

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4000us/Pto


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Efecto sobre la Onda, según la resolución en tiempo de muestreo 862.5 [mm/s] 722.2 [mm/s] 250 Hz

377.2 [mm/s]

0 [mm/s]

32 Hz

200us/Pto

1000us/Pto

2000us/Pto

4000us/Pto

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Equipo de Análisis El análisis de los datos requiere de un conjunto computador y software con capacidades para un manejo integral de la forma de onda, y donde las principales tareas que deben realizar, son las siguientes: U Desplegar múltiples señales U Amplificación de partes de la señal total (efecto zoom) U Cursor móvil sobre la señal para una análisis acucioso de los tiempos y amplitudes U Derivación e integración de las ondas U Generar el vector suma de tres componentes ortogonales U Despliegue de las señales en el dominio de la frecuencia U Filtro de frecuencia

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Análisis de la Onda de Vibración La señal de vibraciones producida por una tronadura, consiste en un número discreto de paquetes de ondas, cada uno de estos corresponde a cargas o grupos de cargas detonando en un determinado tiempo. El primer paso en el análisis de la señal, es determinar que carga representa cada paquete de vibración. De la capacidad para realizar esto depende determinar la diferencia entre la detonación real y la secuencia diseñada. La forma y amplitud de un paquete de vibración, da la efectividad relativa de la detonación de las cargas en una tronadura. La amplitud de vibración es una medición de la energía transferida por el explosivo al macizo rocoso.

45

Con el Monitoreo y Análisis de la Onda de Vibración Es posible determinar y calcular lo siguiente: ! ! ! ! ! ! ! !

Tiempo real de detonación de una carga o cargas Velocidad de partículas de cada carga en la voladura Detonación de cargas con baja eficiencia o no detonadas Detonación instantánea de cargas; detonación de cargas por simpatía, acoplamiento por insuficiente tiempo entre cargas. Eficiencia relativa en la detonación de cargas similares Diferencia entre Cargas Explosiva de Producción y Contorno Diferencia entre cargas detonadas con distinto confinamiento Análisis de Frecuencia, etc.

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Monitoreo y Análisis de Vibraciones 11

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Monitoreo y Análisis de Vibraciones Diagrama Original de Perforación 4m

10

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3

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0m

53

Monitoreo y Análisis de Vibraciones Monitoreo Vibraciones Prueba Diseño Original Onda Completa, Geófono 1, Sector 11-13.5, Zona 1, Norte 5

Cargas de Rainura

100

Zapateras

CargasNormales con ANFO en Auxiliares

Cargas de Contorno Desacopladas

50

0

-50

Medición de Tiempos de Detonación

-100 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Tiempo (ms)

54


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Monitoreo y Análisis de Vibraciones Monitoreo Vibraciones Prueba Diseño Original Sector Rainura, Geófono 1, Sector 11-13.5, Zona 1, Norte 5 49.2 ms

60

123.4 ms 381.5 ms

75.9 ms

40

105.6 ms 136.8 ms

28.8 ms

250.3 ms 281.2 ms

353.5 ms

Cargas no Detectadas

20

0

#7

-20

#8

34.7 mm/s

37.0 mm/s

54.7 mm/s

50.7 mm/s

36.5 mm/s

31.9 mm/s

-40

55.8 mm/s 41.6 mm/s

53.5 mm/s

-60 0

100

200

300

400

500

Tiempo (ms)

55

Monitoreo y Análisis de Vibraciones Monitoreo Vibraciones Prueba Diseño Original Sector Coronas y Zapateras, Geófono 1, Sector 11-13.5, Zona 1, Norte 5 100

97 mm/s

11.4 mm/s 5.58 ms 50

0

-50

4.64 ms -100

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

56

5.6

5.8

6.0


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Monitoreo y Análisis de Vibraciones Secuencia 2 Retardos Nº 1 al 15

Secuencia 1 Retardos Nº 4 al 16

Secuencia 4 Retardos Nº 1 al 15

10

5

0 46

10

8

12

14

1

-5

16

5 10

9 11 13 7

2

13

4

15

6

14

8

16

11 1 5

15

9

3 7

-10

12

1

0

2

3

Tiempo (segundos)

57

Monitoreo y Análisis de Vibraciones Análisis de secuencia Nº3 Retardos Nº 2-16 10

1,22 1,28

1,33 1,38

1,45

1,58

1,67

1,87

5

0

-5

-10

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

Tiempo (segundos)

58


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Monitoreo y Análisis de Vibraciones Vibración presente en cada carga Secuencia Nº3 8.43 mm/s

10

4.37 mm/s 4.98 mm/s 4.37 mm/s

4.88 mm/s

4.27 mm/s

3.76 mm/s

2.64 mm/s

5

0

-5 -3.35 mm/s -3.76 mm/s -4.77 mm/s -5.48 mm/s -6.30 mm/s

-5.79 mm/s

-6.30 mm/s

-10 -9.95 mm/s

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Tiempo (segundos)

1.9

59

Monitoreo y Análisis de Vibraciones Tiempos de Detonación y Dispersión de Retardos Secuencia Nº2 10

50 ms 50 ms 50 ms

5 408 ms

554 ms 504 ms

80 ms

89 ms

634 ms

129 ms 723 ms

135 ms

852 ms

987 ms

0

-5

Retardo faltante Nº3 (75 ms) -10

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

Tiempo (segundos)

60


31 of 36



Diferencia de amplitud en cargas idénticas

0

-50 50

Mal funcionamiento de cargas 0

Cargas NO Detonadas

-50 0

100

200

300 TIEMPO [ms]

400

500

61

Monitoreo y Análisis de Vibraciones Señal Tiro más Cercano al Geófono Componente Radial

1000 500 0 -500 -1000 1.2

1.4

1.6

Time (seconds)

1.8

2.0

1.8

2.0

Señal Tiro más Cercano al Geófono Componente Transversal

1000 500 0 -500 -1000 1.2

1000

1.4

1.6

Time (seconds)

Detalle Señal Tiro más Cercano Componente Radial

500 0 -500 -1000 2.01

2.02

2.03

2.04

2.05

2.06

2.07

Time (seconds)

62


32 of 36


Monitoreo y Análisis de Vibraciones RADIAL

VOLADURA

10

ONDA ELEMENTAL

5 0 -5 -10 0

1

2

3

4

Time (seconds)

VOLADURA

10

5

6

TRANSVERSAL

7

ONDA ELEMENTAL

5 0 -5 -10 0

1

2

3

4

Time (seconds)

VOLADURA

10

5

6

7

ONDA ELEMENTAL

VERTICAL

5 0 -5 -10 0

1

2

3

4

Time (seconds)

5

6

7

DETALLE ONDA ELEMENTAL COMPONENTE RADIAL

6 4 2 0 -2 -4 -6 7.2

7.3

Time (seconds)

7.4

7.5

63

Monitoreo y Análisis de Vibraciones Inadecuada resolución entre Cargas Tronadura Masiva

200 0 - 200 0 Waveform File :

1 2 Tiempo (segundos)

3

recorded , .

64


33 of 36


Monitoreo y Análisis de Vibraciones Señales de Vibración Típicas

[mm/s] +500

Radial

0 ±500

Transversal

0 ±500

Vertical

0 ±500

Vector Suma : Vs (t) =

0 -500

0.0

0.2

0.4

2

2

2

A (t) + A (t) + A (t) r

0.6 TIEMPO [ms]

t

v

0.8

1.0

1.2

65

Monitoreo y Análisis de Vibraciones Señales de Vibración Típicas

[mm/s] +500

Radial

0 ±500

Transversal

0 ±500

Vertical

0 ±500

Vector Suma

0 -500

0.0

0.2

0.4

0.6 TIEMPO [ms]

66

0.8

1.0

1.2


34 of 36


Monitoreo y Análisis de Vibraciones Señal típica de vibración en el campo cercano 400 Max: 392.7

Efecto del Decaimiento con la distancia

300 200 100 0 -100 -200 -300 Min:-206.7 [mm/s] -400 1000 1250

1500 1750 TIEMPO [ms]

2000

2250

67

Conclusiones (I) El Monitoreo de Vibraciones producto de Voladuras, es una técnica que permite examinar en detalle el proceso y rendimiento general del diseño de la Voladura, pudiéndose evaluar:

U Cargas detonando en una secuencia de U U U U

encendido incorrecta Dispersión en los tiempos de los retardos Detonación deficiente de cargas Detonaciones instantáneas Detonación de cargas adyacentes por simpatía

68


35 of 36


Conclusiones (II) U El desarrollo de la secuencia de iniciación del U U U U

disparo La velocidad de partículas que genera cada carga o grupo de cargas en la tronadura El acoplamiento de las vibraciones como consecuencia de la separación insuficiente en tiempo entre cargas con un mismo retardo La eficiencia relativa de detonación entre cargas similares La diferencia entre cargas explosivas de producción y contornos

69

Conclusiones (III) U Para que la información registrada refleje en forma fiel los eventos ocurridos durante la voladura, se debe tener especial cuidado en la elección del tipo de transductor a utilizar, su instalación y orientación en terreno. U Además de esto, son importantes las cualidades que debe poseer el equipo de análisis de la onda de vibración, para permitir una grabación fidedigna y un adecuado análisis de los datos.

70


36 of 36


Referencias ‚ Dawes J. J., ScherpenisseC. R.,Díaz M. E., Parada L."The evaluation of Tunnel

Blast Performance via the analysis of ground vibrations",Congreso de Minería del Instituto de Ingenieros de Minas de Chile, Los Andes 1987,

‚ JKMRC, University of Queensland, “Advanced Blasting Technology”, AMIRA P93D

(1987-1990), Final Report..Scherpenisse C. R., Leal M., Arellano J., Orrego G., "Avances Tecnológicos aplicados a la Optimización de Tronadura", VII Simposium de Ingeniería de Minas, (Universidad de Santiago de Chile), 1991.

‚ Scherpenisse C. R., Trabajo de Titulación, "Avances Tecnológicos en el Monitoreo Análisis y Simulación de Vibración Orientados al Control y Optimización de Tronaduras", Universidad de Santiago de Chile, 1992.

‚ ScherpenisseE C., Arellano J., Orrego G., Areallano M., "Vibración producto de

Voladura y su comportamiento en el Campo Cercano y Lejano", V Jornadas de Especialistas en Voladura, EXPOMIN-92, Mayo 1992, Santiago, Chile.

‚ Andrieux P., Heilig J., “Near-Field Blast Vibration Monitoring - Practical Considerations and issues”, Seventeenth Study Sessions on Blasting Techniques, November 3-4, 1994. Quebec City. Canada.

‚ Adamson W. R., Scherpenisse C. R., "Asesoría para Medición de Vibraciones y

Evaluación en Voladura de Desarrollo Horizontal", Minera Michilla S.A., Julio 1995.

‚ Scherpenisse C. R., Díaz J. C,, "Monitoreo y consideraciones generales del

modelamiento de vibraciones para la optimización de las voladuras en desarrollo horizontal", 2do Simposium Internacional de Informatica Aplicada a la Mineria, Infomina 98, del 26 al 29 de Mayo de 1998, Lima -Perú.

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INGENIERÍA E

INSTRUMENTACIÓN EN TRONADURA

Carlos R. Scherpenisse Email: [email protected], WebSite: www.aspblastronics.cl

Preparado para: EXSA, Lima-Perú Octubre - 2006

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Voladura de Rocas EXSA

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