Pfc Francisco Sena Leite--Voladuraaa

8/13/2019 Pfc Francisco Sena Leite--Voladuraaa

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ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS

PROYECTO FIN DE CARRERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y COMBUSTIBLES


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Titulacin: Ingeniero de Minas Plan 1996

Autorizo la presentacin del proyectoDesarrollo de una Herramienta de diseo de Tneles

Realizado porFrancisco Sena Leite

Dirigido porProf. Ing. Pablo Segarra Catass (UPM)

Nombre del cotutor de PortugalProf. Ing. Miguel Fernando Tato Diogo

Firmado:Prof. Ing. Pablo Segarra Catass


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Agradecimientos

Llegando al final un camino de iniciacin al estudio de la Ingeniera de Minas, se mirahacia atrs y se recuerda todas las personas importantes que por l han pasado.

Antes de todo, en relacin a el Proyecto Final de Carrera, dejo mis agradecimiento alProf. Pablo Segarra que cedi su tiempo para orientarme, aconsejar y motivar para quemi trabajo tomase el mejor camino. A mi coordinador Prof. Miguel Tato Diogo quesiempre se mostr disponible, por tambin ser un excelente motivador y transmitir suabertura e apoyo al proyecto y a mi coordinador Prof. Jos A. Sanchidrin por el apoyo brindado en mi estancia en la escuela de minas de Madrid.

A MAXAM Corp. debo un agradecimiento especial a todo el departamentoTechnical

Applications (TAP): al Director Tcnico, Ing. Lpez Cano, por la abertura y por permitir mi integracin, durante mis prcticas, en este departamento; al Ing. PauloCouceiro, por la disponibilidad, confianza y experiencia, que han sido determinantes enla realizacin de este proyecto; al Ing. Vinicius Gouveia, agradezco el apoyoinformtico/matemtico pero, y sobre todo, las conversas al final del da donde han sido

id h i i i i l i i J l P l


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A Bento Martins, Mrio Fernandes, Bernardo Fernandes, Csar Pereira y Rita Ribeiro

que me acompaan hace aos, dejo mis sinceros agradecimientos por ser quienes son y por todo nuestro largo camino, ya que sin el yo no sera lo que soy ahora. A ellos unagradecimiento muy especial.

A mis compaeros de Intercambio en Brasil y Madrid (que no hay paginas suficientes para escribir todos los nombres), un agradecimiento que no tiene precio por todos los

tiempos pasados juntos, experiencias compartidas, e por considerar que estos fueranmomentos de mi vida importantsimos para formar mi carcter de hoy. No olvidar laRepblica Canil ni la Residencia Universitaria Gmez-Pardo y nombres como SlvioLima, Daniel Campos, Saulim Ferreira, Gabriel Couto, Mario Guimares, PedroGuedes, Tlio Leo, Melquides Elba, Paulo Fernndez, Ned Vasquez, Ezewna

Darlinghton, Rishat Khabibullin y Robert Ampuero sern siempre recordados. Hastaahora mis compaeros.

No puedo dejar de dedicar una palabra al escutismo, ya que ha sido el motor de mi vida,mi fuente de entusiasmo y motivacin. As, a todos los scouts con quien he vividofuertes momentos, un abrazo sincero.


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Documento n 1: Memoria

1 Objetivo y alcance ..................................................................................................... 22 Introduccin ............................................................................................................... 33 Apertura de tneles .................................................................................................... 4

3.1 Ciclo de voladura y evolucin del equipamiento de perforacin ....................... 63.2 Seccin de un tnel ............................................................................................ 8

3.3 Esquema de voladura ......................................................................................... 93.4 Mtodo Sueco de diseo voladuras en tnel ...................................................... 9

3.4.1 Determinacin de la constante de roca ..................................................... 103.4.2 Tipos de cuele ........................................................................................... 113.4.3 Cuele de cuatro secciones ......................................................................... 18

3.4.4 Zapateras ................................................................................................... 283.4.5 Contorno ................................................................................................... 303.4.6 Destroza .................................................................................................... 31

3.5 Sistemas de avance ........................................................................................... 333.5.1 Roca dura y competente ............................................................................ 33

3 5 2 R bl d 36


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5.2.1 Ecuacin de Kuznetsov ............................................................................. 49

5.2.2 Ecuacin de Rosin-Ramler ....................................................................... 515.2.3 ndice de uniformidad ............................................................................... 525.3 Aplicacin del modelo de prediccin de Kuz-Ram para tneles ..................... 52

5.3.1 Variables ................................................................................................... 545.3.2 Aplicacin ................................................................................................. 55

6 Herramienta de diseo de tneles ............................................................................ 576.1 Descripcin general de la herramienta X-Tunnel v.Beta .............................. 576.2 Datos de entrada (In-Puts) ................................................................................ 57

6.2.1 Informacin del Proyecto .......................................................................... 586.2.2 Parmetros de diseo ................................................................................ 596.2.3 Anlisis de Vibraciones ............................................................................ 62

6.3 Datos de Salida (Out-Puts) .............................................................................. 646.3.1 Mallas de perforacin ............................................................................... 646.3.2 Coordenadas de los Barrenos .................................................................... 646.3.3 Secuenciacin ........................................................................................... 656.3.4 Anlisis de Vibraciones ............................................................................ 68


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Lista de imgenes

Figura 3-1 - Comparacin de costes - TBM/Perforacin y voladura ............................................. 6

Figura 3-2 - Tnel carretero en caja (FUENTE: Highway and Rail Transit Tunnel Maintenance

and Rehabilitation Manual) .......................................................................................................... 8

Figura 3-3 - Tnel carretero circular (FUENTE: Highway and Rail Transit Tunnel Maintenance

and Rehabilitation Manual) .......................................................................................................... 8

Figura 3-4 - Tnel carretero ovalado (Horse shoe) (FUENTE: Highway and Rail Transit Tunnel

Maintenance and Rehabilitation Manual) .................................................................................... 8

Figura 3-5 - Tnel carretero ovalado (Horse shoe) (FUENTE: Highway and Rail Transit Tunnel

Maintenance and Rehabilitation Manual) .................................................................................... 8

Figura 3-6 - Tnel carretero en D ............................................................................................... 8

Figura 3-7 - Seccin de un tnel .................................................................................................... 9Figura 3-8 - Clasificacin de Cueles ............................................................................................. 11

Figura 3-9 - Cuele en Cua .......................................................................................................... 12

Figura 3-10 - Cuele en Abanico ................................................................................................... 13

Figura 3-11 - Cuele en crter (pozos) .......................................................................................... 14

Figura 3-12 - Cueles quemados de barrenos iguales y distintos ................................................. 14
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Figura 3-30 Doble seccin ........................................................................................................ 35

Figura 3-31 - Avance por galera piloto ....................................................................................... 35

Figura 3-32 -Sistemas de avance en roca blanda ........................................................................ 36

Figura 4-1 - Efecto del dimetro crtico ...................................................................................... 39

Figura 5-1 - Zona de fracturacin en un barreno ........................................................................ 47

Figura 5-2 - Formacin de fracturas por traccin ....................................................................... 48

Figura 5-3 - Expansin de un barreno ......................................................................................... 48

Figura 5-4 - tamao medio vs consumo especfico ..................................................................... 55

Figura 5-5 - Correccin del Factor A ............................................................................................ 56

Figura 5-6 - Curvas granulomtricas de las secciones del Cuele, Destroza, Recorte y Zapateras

..................................................................................................................................................... 56

Figura 6-1 - X-Tunnel v.Beta ........................................................................................................ 58

Figura 6-2 - Informacin de proyecto (X-Tunnel) ........................................................................ 59

Figura 6-3 - Clculo de mallas (X-Tunnel) .................................................................................... 60

Figura 6-4 - Imagen indicativa de la seccin del tunel ................................................................ 61

Figura 6-5 - Imagen de fondo del esquema de perforacin........................................................ 62

Figura 6-6 - Out-Put de mallas de perforacin ............................................................................ 64

Fi 6 7 E i d d d 65
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DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA PARADISEO DE VOLADURAS EN TNELES


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ETSI - Minas UPM|Dep. Minas FEUP 2

1 Objetivo y alcance

El Objetivo de este proyecto es el desarrollo de una herramienta para el diseo devoladura en tneles con las siguientes particularidades:

Diseo de mallas de perforacin

Datos de carga y secuenciacin de la voladura

Previsin de fragmentacin

Previsin de vibraciones

Esta herramienta es vlida paratneles con secciones en forma de D (D -ShapedTunnels) y secciones superiores a 10 m2.


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Tabla 3-1 - Tuneladoras

TuneladorasVentajas Desventajas

Seccin del tnel Circular y su excavacin es igual ala predichaLimitada a seccionescirculares de dimetro

constante

Aplicacin Terreno blando y excavaciones bajonivel freticoDifcil ajuste para distintostipos de terreno; curvas con

radio superior a 300m

Personal y seguridad Seguridad suficiente ya exige poco personal en el frente de laexcavacin

Personal especializado yfase de aprendizaje larga

Sostenimiento Zona escavada suportadainmediatamente -Equipamiento Lnea de fabricacin de gran calidad Equipamiento no verstil

Avanzo Avances dependientes del tipo derocaCosto - Alto coste de instalacin

Tabla 3-2 - Perforacin y Voladura

Perforacin y Voladura


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Figura 3-1 - Comparacin de costes - TBM/Perforacin y voladura(FUENTE: Dimitros Kolymbas, 2005)

As, para elegir el sistema de excavacin hay un determinado conjunto de factorestcnico-econmicos que se tiene de considerar a los cuales se aade:

Resistencia del terreno Si la roca a excavar posee una resistencia alta, esaconsejable su excavacin mediante perforacin y voladura.

Abrasividad de la roca - una roca muy abrasiva inviabiliza econmicamente eluso de rozadora o tuneladoras

Longitud y/o seccin del tnel


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forma a que el avanzo sea mximo. Toda esta optimizacin pasa por el control de lostiempos de todas las operaciones unitarias del ciclo de excavacin que incluyen

- Tiempo de perforacin de barrenos (nmero de barrenos y su profundidad)

- Tiempo de carga de barrenos (escoja del tipo de cargador)

- Tiempo de reforzamiento de la roca (sostenimiento)

- Tiempo de carga del escombro

De hecho el ciclo de excavacin es prcticamente igual para cualquier tipo voladurasubterrnea y contempla las siguientes etapas:

- Ubicacin de los barrenos

- Perforacin

- Carga de los barrenos

- Conexin de los detonadores


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perforacin aument considerablemente desde la el uso de herramientas que perforaban barrenos paralelos hasta equipamiento automtico capaz de hacer perforacin con undeterminado ngulo, conforme un plan o malla de perforacin establecidos.

3.2 Seccin de un tnel

La seleccin de una seccin de un tnel depende de factores logsticos, de seguridad ensu apertura y aplicacin. Para satisfacer estas condicionantes podemos encontrardistintas secciones como se observan en las figuras 3-2, 3-3, 3.4, 3.5 y 3-6.

Figura 3-2 - Tnel carretero en caja(FUENTE: Highway and Rail Transit TunnelMaintenance and Rehabilitation Manual)

Figura 3-3 - Tnel carretero circular(FUENTE: Highway and Rail Transit TunnelMaintenance and Rehabilitation Manual)


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3.3 Esquema de voladura

El plan de voladura presenta un determinado conjunto de elementos para conseguir unacorrecta perforacin, carga y secuenciacin de los mismos barrenos, con elequipamiento disponible, para volar un determinado volumen de roca pre-establecido entiempo y forma establecido.

Despus de determinar el explosivo a usar, el tipo de equipamiento a emplear y lascaractersticas de la roca, se pueden usar diversos mtodos para el clculo de la posicinde los barrenos que van a ocupar en la seccin de ese mismo tnel. En este documentose describe el mtodo Sueco, y como a partir de este se determina el diseo de unamalla para un tnel. Tal y como muestrea la figura 3-7 las diferentes secciones en quedivide la cara de tnel.


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de perforacin, dimetro y nmero de barrenos vacos y la potencia del explosivo sonlos parmetros controlables en este mtodo.

La cara del tnel se divide en las secciones presentadas en el ltimo apartado y los principales parmetro del diseo de un tnel son la piedra (burden - B), espaciado(spacing S) y la carga de explosivo que se cambiaran en funcin del tipo de roca,conforme a la teora sueca de voladura. Este mtodo se desarroll en rocas duras

(granito) de Escandinavia (Noruega, Suecia y Dinamarca). As que es aconsejable haceralgunas voladuras de prueba siempre que los trabajos son en rocas distintas del granitode referencia, por forma a optimizar el diseo del mallado.

3.4.1 Determinacin de la constante de roca

Como ha sido referido, el valor c, es un nmero emprico que representa la cantidad deexplosivo para romper 1 m3 de roca. Despus de pruebas en Suecia, se verifico que suvalor era de 0,4 kg/m3. Persson et al. (1994) refiri que en la prctica todas las rocas,desde arenitas hasta granitos toman el valor de c referido. Para su clculo hay que hacervoladuras de prueba y tener varias variables en cuenta:


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3.4.2 Tipos de cuele

Como se entiende las voladuras subterrneas son ms complejas que las superficiales,no solo por todos los factores inherentes a ellas (seguridad, gravedad, equipamiento) pero tambin por la ausencia de una cara libre para que el explosivo pueda fragmentar laroca que ser finalmente desplazada por los gases de voladura. De esta forma, los barrenos en el cuele pretenden generar una cara libre.

En esta seccin del tnel, los consumos especficos son muy altos (para compensar elgrado de fijacin ms elevado por el efecto de la gravedad y confinamiento). Las piedras y el espaciamiento, son muy cortos, as que es necesario conjugar dos factores:

- Necesidad de explosivos suficientemente insensibles para evitar la detonacin

por simpata .- Explosivos con velocidades de detonacin alta, para que no se insensibilizaren

por el efecto canal.

Existen varios tipo de cuele, cada uno para una determinada situacin. Cada tipo de


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3.4.2.1 Cueles de barrenos en ngulo

Los cueles con barrenos en ngulo son cada vez menos utilizados, pues son muylaborosos: la perforacin es muy delicada ya que es importante perforar cada barrenocon un determinado ngulo de modo que la piedra en fondo sea la predicha. La longitudde los barrenos est limitada por la anchura de las galera pues en tneles pequeos losequipos estarn restringidos.

Las ventajas de estos cueles es que que permiten:

- Un menor uso de explosivo

- Posibilidad de orientacin de la inclinacin segn discontinuidades

Cuele en cuaEste tipo de cuelen, observado en la figura 3-9, permite avances de 45% a 50% de laanchura del tnel pero muchas veces este es afectado por la desviacin de los barrenos(5%). En relacin a la cua, esta debe tener un ngulo mayor de 60 para evitar elconfinamiento de cargas.


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del uso del cuele instantneo es la dispersin y proyeccin de escombro a una distanciaconsiderable.

Cuele en abanico

Durante mucho tiempo este tipo de cuele (figura 3-10) ha sido usado, pero actualmenteha cado en desuso. Su principal inconveniente es la perforacin compleja ya que lacapacidad de perforacin de barrenos cerca de los hastiales es limitada para diversos

equipos. Su perforacin puede ser horizontal, descendente o ascendente.


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3.4.2.2 Cuele de barrenos paralelos

Cueles quemados (con dimetros iguales y con barrenos vaco de mayordimetro

Figura 3-11 - Cuele en crter (pozos)


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Los cueles quemados fueron los primeros en utilizarse y el inconveniente presentado enrelacin a los cueles cilndricos es que los de este tipo poseen una gran concentracin decarga lo que, como es de esperar, habr una fragmentacin excesiva. Los avances nosobrepasan los 2,5 m, aunque en trminos de equipamiento se trata de un mtodo muyaccesible. La proyeccin de escombros suele alcanzar los 5 m a 6 m y los avances sueleser de 80% a 95%, aunque, por ejemplo el cuele Sarrois permite avances de 95% a100%.

Cueles cilndricos

Como ha sido referido una de las preocupaciones en los barrenos del cuele son las proximidades de unos y otros y la consecuente detonacin por simpata oinsensibilizacin de los mismo. Hay que aadir que la tcnica empleada en estos cuelesconsiste en detonar barreno a barreno e ir construyendo el hueco (cara libre)sucesivamente. Los tipos de cueles cilndricos ms comunes pueden ser analizados enlas figuras 3-13, 3-14, 3-15 y 3-16 donde se refieren algunas de sus particularidades.


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Barreno vaco: dos barrenos secantes (enforma de 8) de igual dimetro 55 mm

Necesidad de precisin: recurso a

plantillas de chapa

Aplicacin Buenos resultados en arenisca

Figura 3-14 - Cuele Coromant(FUENTE: Sanchidrin y Muiz, 2000)


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Barreno vaco:110mm

Es un cuele de tipo Doble espiral

Aplicacin

Se obtiene menos avance que un cuele endoble espiral. Facilidad en su aplicacin

debido a la perforacin de barrenos enlneas verticales.

Figura 3-16 - Cuele Tby(FUENTE: Sanchidrin y Muiz, 2000)

El tipo de cuele cilndrico ms empleado en los das de hoy es el cuele de cuatro


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3.4.3 Cuele de cuatro secciones

El cuele de cuatro secciones (figura 3-17), que es un tipo de cueles cilndricos incluidoen el mtodo Sueco, empez por ser un mtodo emprico de diseo de voladurasubterrneas y es empleado para tneles de seccin superior a 10m2. Este tipo de cuele

Figura 3-17 - Cuele y Contracuele


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Los errores de perforacin estn representados en las imgenes 3-18 y 3-19:

Figura 3-18 - Error de emboquille


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Para una estimacin de los errores de perforacin () se recorre a la ecuacin 3.2:

(3.2)donde:

= Desviacin angular (m/m)

= Error de emboquille (m)

Adelante miraremos donde ellos afectan los clculos de este cuele.

3.4.3.2 Primera seccin del cuele

La piedra (burden B) de la primera seccin necesita de tener una atencin especfica.Esta piedra (B, en la figura 3-20) es la distancia entre el centro del barreno vaco y elcentro de cada barreno de la primera seccin.


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Esta distancia va a determinar el ngulo de apertura (ngulo de ruptura) que va adeterminar el funcionamiento del cuele (figura 3-21). Esta piedra es determinada enfuncin del dimetro vaco () y hay unos factores que se deben considerar:

- Si la piedra es muy pequea (menor que) la roca se sinteriza.

- Si la piedra es muy grande y, consecuentemente, el ngulo de ruptura muy pequeo, lo que pasar es la deformacin plstica de la roca.

400

500

600

( m m

)

Relacin de la Piedra con el dimetro del barreno vaco

B = 1,5 x D2

Piedra muy grande, ngulo deruptura muy pequeo, grandescargas - Deformacin Plstica


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donde:

= Piedra terica de la primera seccin (m)

Por otro lado si hay errores de perforacin mayores que 1%,

(3.4)

donde:

= piedra prctica de la primera seccin (m)


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(3.5)donde:

Espaciado de la primera seccin (m)Considerando el caso en que la posicin de los barrenos de la primera seccin del cueletoman una apertura menor que

(caso ms desfavorable pues implica el menor

ngulo de arranque) el espaciado, teniendo en cuenta la desviacin de los barrenos, secalculan por:

(3.6)Para controlar los parmetros anteriormente expuestos acerca de la insensibilizacin de

los barrenos muy cerca unos de los otros, hay la necesidad de determinar laconcentracin lineal de explosivo a utilizar.

( ) () ( ) (3.7)donde:


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3.4.3.3 Segunda y dems secciones de cuele

Los barrenos de las dems secciones del cuele (figura 3-23) se disparan contra la caralibre generada por la primera seccin del cuele. Asumiendo que se conoce laconcentracin lineal para esta seccin, la piedra es:

(3.8)donde:

= Piedra terica de la seccin x (m)

= Espaciado desfavorable de los barrenos de la seccin anterior (m)As, la piedra prctica ser dada por:

(3.9)


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Un punto que debe tenerse en atencin es el control de la piedra (en las secciones 2, 3 y4) que no debera ser mayor que . Esta restriccin impide que se produzca

una deformacin plstica de la roca, al revs de una fragmentacin.

De hecho, si esta restriccin no se cumple, hay que disminuir la potencia y/o la densidadlineal del explosivo recalculando una nueva carga :

(3.10)donde:

= Concentracin lineal corregida de la seccin x (kg/m)

Para el clculo del espaciado de las dems secciones del cuele se recorre a:

Este tipo de cuele, como su nombre especfica, suele tener cuatro secciones. Sinembargo, una regla bastante emprica, determina que el nmero de secciones debe ser


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Movimiento controlado de la pila hacia delante

Controlo del avance del tnel


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3.4.4 Zapateras

Para el clculo de las zapateras se admite que se trabaja de forma similar a un banco acielo abierto pero, en este caso, la altura del banco es la profundidad de los barrenos y elfactor de fijacin (f ) toma el valor de 1,45. El elevado factor de fijacin se debe a los barrenos ejercieren un trabajo en roca confinada y contra la gravedad.

En los barrenos de contorno de un tnel se emplea un determinado ngulo de realce() figura 3-26. Este ngulo es dependiente del equipo de perforacin disponible y de la profundidad del barreno y su objetivo es evitar que se cierre el tnel. Para un avance de3 m el ngulo de 3 (5 cm/m) suele ser suficiente para permitir la perforacin de la prxima seccin del tnel.


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Longitud carga de columna (m)

Carga de Columna (Kg) - (se puedereducir hasta 70% de la carga de fondo)

Carga de fondo (Kg)

Retacado (m)

3.4.5 Contorno

El perfil de una seccin de un tnel, debe permanecer lo ms estable posible durantemucho tiempo, ya que puede consistir en un tnel de un ferrocarril, una galera de minaetc. Para eso se utilizan un conjunto de prcticas (detonacin controlada) que tienen

como objetivo reducir la sobre-fragmentacin en el macizo rocoso del tnel. Si la rocaes suficientemente competente y el recorte no es requerido, la piedra y el espaciado delos barrenos de contorno se determinan como los barrenos de destroza que trabajanhacia abajo. En contraposicin, si hay la necesidad de controlar esta sobre-fragmentacin la experiencia indica que el espaciado debe ser igual a,


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1,45 1,25

Figura 3-27 - Relacin de la direccin de salida de los barrenos de la destroza

Entendiendo esta situacin se calcula la piedra prctica de los barrenos de destroza:

(3.20)Donde el valor de f toma los valores presentes en la figura 3-27

Sabiendo la piedra, fcilmente se obtiene el espaciado (igualmente para los barrenos que se movimiento horizontalmente o verticalmente)


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3.5 Sistemas de avanceSon diversos los condicionantes de avance de un tnel. Es necesario conjugar el tipo deequipo que se tiene, el tiempo disponible para la obra, el tipo de roca, sostenimiento yventilacin para conseguir que la ejecucin de un determinado tnel sea ptima ysegura.

Cuando se habla de tneles ejecutados en rocas competentes y con secciones inferioresa 100 m2 las voladuras se realizan en toda la seccin pero, si la seccin es mayor (elequipamiento no puede alcanzar toda su rea) o si las condiciones geotcnicas no lo permiten, se hace excavaciones por fases figura 3-28.

Sistema de avance para grandessecciones

Roca dura y competente Roca blanda


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la altura de los trabajos excede el lmite de los equipos, es necesario usar la pila deescombro de la voladura anterior o una plataforma. Actualmente, hay jumbos que evitaneste tipo de procedimientos y son capaces de cubrir toda la seccin, inclusive superior a100m2.

En este tipo de avance es posible el uso de equipamientos mayores (carga y perforacin)que resulta en, como haba sido dicho, grandes ritmos de avance y productividad. En

contrapunto, es un mtodo que envuelve ms inversin de capital (para comprarequipamiento) y dificultad en aplicar determinados tipos de suporte.


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Figura 3-30 Doble seccin

3.5.1.3 Galera piloto

La apertura de una galera piloto (figura 3-31) en una seccin de un tnel se puedelocalizar en el centro, abajo o arriba de esa. Se abre una galera de tamao de rea igual


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3.5.2 Roca blanda

Conducir tneles en roca blanda es una tarea compleja y peligrosa. Es necesariocontrolar el movimiento de la roca si esta no esauto-soportable. Muchas veces no serecurre a explosivos para volar este tipo de rocas. El arranque se hacepor partes, deforma que se pueda aplicar peridicamente el sostenimiento. Pases como Alemania,Blgica, Austria y Rusia, emplean distintos mtodos, los cuales se muestran en la figura

3-32. Los nmeros, representan la secuencia de desmonte del tnel.Roca blanda

Mtodo Ingls

MtodoAustriaco

Mtodo Alemn


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4 Carga de explosivos y su secuenciacin

4.1 Explosivos (definicin y conceptos asociados)En el contexto del presente documento, los explosivos permiten el arranque yfragmentacin de la roca del macizo rocoso. Los explosivos son un conjunto deelementos qumicos que, cuando bien conjugados, posicionados y activados con unadeterminada secuencia, producen un nivel de energa suficiente para liberar y

fragmentar un determinado macizo.

Tres trminos de importante definicin son la combustin, deflagracin y detonacin.Estas constituyen las tres formas de descomposicin de una substancia explosiva y estnrelacionadas en trminos de confinamiento, velocidad de reaccin y propagacin de laonda de choque. Cuando el mecanismo predominante es la transmisin de calor (comomecanismo de activacin), la reaccin se da entre la substancia que se oxida y unasubstancia oxidante (oxgeno) y el fenmeno se clasifica como combustin. Cuando la propagacin de esta reaccin se produce a velocidades superiores a la del sonido,generando una onda de choque, acontece una deflagracin. Si esa velocidad tomavalores supersnicos, la onda de choque deja se propagar apenas en el medio


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4.2.1 Temperatura

La temperatura tiene influencia en prcticamente todas las reacciones qumicas (cuantomayor la temperatura, ms rpida ser la reaccin). En los explosivos es un elementofundamental en la detonacin ya que temperaturas demasiado bajas poden comprometersu sensibilidad. Su descomposicin debido a temperatura puede ocurrir de forma lenta oabrupta y la localizacin de esa descomposicin puede ser puntual (zona de explosivoen contacto con el factor calorfico) o homognea (calentamiento catastrfico).

Como se entiende la descomposicin de un explosivo es una reaccin exotrmica ydurante este proceso su temperatura tiende a aumentar (aumentando a velocidad dereaccin). Si la velocidad de generacin de calor (provocada por el factor iniciador)fuera inferior a la de la velocidad de la reaccin exotrmica, la temperatura de la

reaccin disminuir pero, al revs, si la velocidad de aplicacin de calor a un explosivofuera mayor, la reaccin exotrmica se acelerar pudendo producirse la explosintrmica. (Sanchidrin, 2000)

4.2.2 Choque (puntos calientes)


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superficies se poden comportar como puntos calientes y generar una temperaturasuficiente para iniciar el explosivo. Este tipo de activacin es ms comn a losexplosivos primarios ya que son ms sensibles a este tipo de iniciacin.

Por otro lado, si un explosivo sufre una cada, el impacto puede generar elcalentamiento puntual en esa zona y su activacin. (Sanchidrin, 2000)

4.3 Dimetro crtico

Las cargas explosivas, frecuentemente, son de forma cilndrica y tiene un determinadodimetro, denominado dimetro crtico, por debajo del que la onda de detonacin no se propaga. De una forma muy general, la propagacin de una detonacin al largo de uncartucho no es uniforme ya que hay una expansin que acontece en los bordes de lacolumna, disminuyendo la presin, temperatura y velocidad de la onda. Si el dimetroes demasiado pequeo esta situacin que sucede en los bordes afectar ms al centro de propagacin de forma que el ngulo de salida de los productos aumentar (figura 4-1) y,debido a la perdida de presin, la detonacin se detendr.


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adyacentes. La detonacin de una carga suficientemente cerca de otra puede generar unaonda que la comprime aumentando su densidad y su insensibilizacin (efecto canal).De hecho el diseo del cuele es un procedimiento que debe ser cuidadosamente pensado para optimizar la voladura. (L. Jimeno et al., 1987)

4.5 Generacin de gases

En la fase de seleccin del explosivo, a usar en una voladura de interior, la generacin

de gases por su detonacin es un tema de gran importancia ya que las condiciones deventilacin y renovacin de aire estn limitadas. Despus de la detonacin de unexplosivo, este se descompone en gas y sus principales constituyentes son dixido decarbono, monxido de carbono, oxigeno, xidos de nitrgeno y gas sulfhdrico. Sinembargo, el amonaco est tambin presente en los gases libertados y constituye un

motivo de gran preocupacin en este tipo de voladuras. Con el objetivo de valorar latoxicidad de los explosivos se evala el balance de oxigeno ya que (de una formasuperficial) el exceso o falta de oxgeno va a determinar la composicin de los gases devoladura (Valdir Costa e Silva, 2009). El punto mximo de energa de un explosivo,donde el poder de ruptura y energa de explosin alcanza sus valores ptimos, es cuando


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Los explosivos primarios se caracterizan por su gran sensibilidad a ser iniciados por:

Llama

Friccin

Impacto

Choque

Corriente

Descarga elctrica

Radiacin

Su velocidad de detonacin es considerablemente baja (5000 m/s) pero en trminos deelevacin de temperatura (300) pueden ser relativamente resistentes Nitruro dePlomo y Estifnato de Plomo.

4.6.2 Explosivos secundarios


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Esteres Ntricos

Son explosivos considerablemente sensibles al impacto y friccin pero poco resistentesa la temperatura. Son explosivos muy potentes y su caracterstica vasodilatadora permite su uso en la industria farmacutica.

Nitraminas

Son substancias bastante estables a la temperatura pero su sensibilidad al impacto yfriccin esta entre los nitroaromticos y esteres ntricos. Tienen un poder rompedor alto pero su difcil fabricacin hace que sean substancias ms caras.

4.6.2.2 Mezclas Explosivas (Explosivos industriis)

Dinamitas

o Pulverulentos

Los explosivos pulverulentos tiene una potencia y densidad baja, as como una baja resistencia al agua. En trminos de aplicacin, son indicados para carga decolumna de barrenos para volar rocas blandas o semiduras.


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Este grupo de mezclas explosivas posee una variedad de productos con distintascaractersticas. Esas caractersticas pueden ser la potencia, densidad, sensibilidado buena velocidad de detonacin. Son explosivos resistentes al agua.

o Emulsiones

Las emulsiones son explosivos que tienen una gran gama de productos con distintasenerga y potencia (se utiliza aluminio para generar el aumento de energa). En

trminos de velocidad de detonacin, las emulsiones toman valores muy altos y susensibilidad est relacionada con cada tipo de densidad de los productos. Sonmezclas resistentes al agua.

En el anexo A se presenta una tabla general de la clasificacin de los explosivos.


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4.7 Secuenciacin en tneles

Cuando se habla de voladuras subterrneas, la secuencia de detonacin de barrenos esde gran importancia. Un buen diseo de la secuencia de encendido puede definir eltamao de fragmentacin, forma da pila de desmonte, vibracin, ruido y cantidad deroca proyectada (Konya y Walter 1985). Segn Persson et. al (1994), una posiblesecuencia de salida de los barrenos seria:

Cuele

Destroza

Zapateras

RecorteTambin por Persson et al. (1994), se utilizan detonadores de 100 milisegundo para lasecuenciacin del cuele y de medio segundo para las restantes zonas de la seccin.


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5 Fragmentacin

El objetivo de una voladura es fragmentar y desplazar la roca. De hecho, esta fase puedetener grandes impactes en la parte de molienda y separacin. Con la necesidad dereduccin de costos, optimizacin de la recuperacin, esta rea del procesamientominero tuve una atencin especfica. Varios modelos fueran criados para poder predeciry controlar o, tal vez ms correcto, guiar la fase de perforacin y voladura. Hoy en da

el que ms empleado es el modelo de Kuz-Ram y se encuentra descrito en el captulo5.2.

Antes de tocar los modelos de prediccin hay que entender los mecanismos de rupturade la roca y cuales sus dependencias:

Cantidad de explosivo

Distribucin de ese explosivo en la roca

Caractersticas de la roca a desmontar (diaclasas, fallas, resistencia, caras libres)

5.1 Rotura y resistencia de la roca


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Figura 5-2 - Formacin de fracturas por traccin

Llegando a la fase semi-esttica, la presin de los gases de detonacin realiza un trabajomecnico, expandiendo las fracturas ya existentes. Esta presin en las paredes del barreno acta sobre las grietas, incrementando la tensin en el vrtice de ellas permitiendo el desplazamiento de la roca hacia la frente libre (figura 5-3).


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5.2 Modelo de prediccin de Kuz-Ram

5.2.1 Ecuacin de KuznetsovKuznetsov (1973) present una ecuacin que predeca un tamao promedio de losfragmentos resultantes de una voladura con un determinado mallado y tipo deexplosivo.

( ) (5.1) donde: = Tamao medio de las partculas (cm)

= Factor de roca

= Consumo especfico (kg/m3)

= Masa de explosivo por barreno (kg)

= RWS (Relative Weigth Strength) Potencia relativa en peso del TNT respecto al


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Tabla 5-1 - RMD

Tipo de roca RMD

Polvorienta/friable 10

Juntas verticales JF

Masiva 50

JF depende del ngulo del plano de juntas (JPA) y por el espaciado de las juntasverticales (JPS),

(5.3)donde:

JCF = Joint Condition Factor

JPS = Joint Plane Spacing

JPA = Joint Plane Anlge


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Tabla 5-3 - JPA

ngulo del plano de fractura JPA

Inclinacin para fuera de la cara 20

Rumbo perpendicular a la cara 30

Inclinacin hacia para la cara 50

RDI representa un factor dependiente de la densidad de la roca y se determina por

(5.5)

donde:

=Densidad de la roca (t/m3)

El ltimo factor es el de la durezadonde para Y (Modulo Elstico) 50GPa ven:

(5.6)


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5.2.3 ndice de uniformidad

Cunningham, us la ecuacin de Kuznetsov para determinar el tamao medio de las partculas y desarrollo una frmula para determinar A.

Posteriormente al trabajo de campo, por si ejecutado, envolviendo la precisin de la perforacin, relacin de piedra y espaciado, dimetros de perforacin, cargas deexplosivo y alturas de bancos, desarrollo el ndice de uniformidadn.

( ) ( ) (| | ) (5.9)Donde:

= Piedra (m)

= Espaciado (m)

= Diametro de los furos cargados (mm)

= Desviacin de la perforacin (m)


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5.3.1 Variables

5.3.1.1 Piedra y espaciado

Cuando se trata de un mallado de perforacin en un tnel fcilmente se entiende queeste tiene una serie de distintas piedras y espaciados. Esta situacin influencia bastantela fragmentacin resultante y para eso hay que estudiar cual (o cuales) de esas piedrasdebern ser usadas para la comparacin con una curva de fragmentacin obtenida

mediante anlisis fotogrficas de la pila de escombros. En voladuras subterrneas, elgrado de confinamiento de la roca es mayor que en superficie, hecho lo que probablemente hace que a pesar de poner piedras menores, la fragmentacin no deberser ms fina.

5.3.1.2 Columna de explosivo

El ndice de uniformidad fue determinado para la fragmentacin de bancos a cieloabierto, donde la altura de la carga de fondo suele ser inferior que la carga de columna.Por otro lado, en tneles, la longitud de carga de fondo tiende a ser superior a la decolumna.


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6 Herramienta de diseo de tneles

Con el objetivo de facilitar el diseo de una seccin de un tnel ha surgido el inters dedesarrollar una herramienta de apoyo X-Tunnel v.Beta. Su descripcin estar repartidaen las siguientes temticas:

Descripcin general (Nombre, Objetivos, Lenguaje)

Datos de Entrada (In-Puts)

Datos de Salida (Out-Puts)

Zona de Calculo

6.1 Descripcin general de la herramienta X-Tunnel v.Beta

La herramienta de diseo, X-Tunnel v.Beta, fue desarrollada con objetivo de facilitar eldiseo de una seccin de un tnel, posibilitar la prediccin de situaciones comofragmentacin y vibraciones, consumos de explosivo y accesorios y volmenesdesmontados. De hecho, X-Tunnel v.Beta posibilita la gestin de datos de voladura, yaque su informacin puede ser almacenada y compilada durante la abertura de un tnel.


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Figura 6-2 - Informacin de proyecto (X-Tunnel)

6.2.2 Parmetros de diseo

El mdulo C. Mallas (f igura 6-3) representa el apartado ms importante de laherramienta. En el so calculados todos los parmetros geomtricos envueltos en el


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Errores previstos de perforacin

Angulo de realce ()

Factor de retacado

El utilizador podr, todava, hacer ajustes adicionando, o no, barrenos de destroza arribadel cuele y en los hastiales. Esta opcin es comandad por los botones circulares

presentes en la seccin de ajustes que pueden ser seleccionados mediante el inters delusuario. Una opcin interesante es la de posicionamiento del cuele caso la posicin delos barrenos de destroza alrededor del no satisficieren las necesidades del utilizador. Elfactor de retacado sirve para definir el valor a multiplicar por el dimetro de perforacin, permitiendo al usuario controlar el retacado de los barrenos. Por forma a

esclarecer un utilizador de lo que se refiere el Ancho, Altura o Flecha, con unasimples pasada del puntero sobre las celdas, una imagen indicativa aparecer (figura 6-4).


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Figura 6-4 - Imagen indicativa de la seccin del tunel

La ltima zona de insercin de datos, est reservada al tipo de explosivo a utilizar,donde los parmetros a introducir son:

Densidad del explosivo (g/cm3)

Calor de explosin (MJ/kg)


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Figura 6-5 - Imagen de fondo del esquema de perforacin


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En voladuras de interior se prefiere usar la raz cbica en vez de la raz cuadrada y,haciendo esta aproximacin, la velocidad de partcula mxima puede calcularse por:

donde:

K = factor de estructura

= factor de atenuacin

y representan el comportamiento principal de la voladura en un rea determinada.

De este modo, losin-puts de este mdulo son los parmetros de ajuste de la ley deamortiguacin y k . Estos valores son resultados de estudios previos en el terreno

donde se van realizar la voladuras. A par de ellos es posible introducir tambin el PPVmximo imposto por una determinada norma o situacin.

USBM norma y OSMRE

En 1980, el United States Bureau of Mines, public el RI-8507 (Structure Response and


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6.3 Datos de Salida (Out-Puts)

6.3.1 Mallas de perforacinLos primeros datos de salida que el usuario de X-Tunnel se puede apercibir la malla de perforacin. Modificando los valores de la seccin de clculo de mallas (por ejemplo,Ancho, A ltura, Flecha del tnelo D imetro de perforacin) es posible analizarel efecto de cambio de malla, fragmentacin y los posibles consumos especficos de la

misma.


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Figura 6-7 - Exportacin de coordenadas

| 66


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Figura 6-8 - Secuenciacin

El botnPresione para observar la distribucin de los barrenos (figura 6 -8) se observa justo los distintos tipos de barrenos (cuele, destroza horizontal y vertical, zapateras,hastiales y contorno).

Pinchando el botn Push to Blast la secuencia de detona cin de los barrenos sedesarrollar automticamente (con intervalo de 1 segundo entre barrenos para ser

ETSI Mi UPM|D Mi FEUP 67


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Figura 6-9 - Secuenciacin: Cuele, Destroza, Zapateras, Recorte

De una forma radial (figura 6-10)


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ETSI Minas UPM|Dep Minas FEUP 70


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o Detonadores

o

Cordn detonanteo Consumo especfico

Secuenciacin

o N de detonadores/tiempo

Fragmentacin

o Factor A

o X50

Vibraciones

o Numero de barrenos que explotan juntos

o MIC Carga mxima instantnea

Observaciones



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Como es obvio, dependiendo de obra o usuario, hay siempre la posibilidad de aadirclculos y modificar la herramienta para adaptarse a cada situacin.

En las figuras 6-12, 6-13 y 6-14 se presenta las hojas (del informe) que se puedenexportar a partir del X-Tunnel.



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ETSI - Minas UPM|Dep Minas FEUP 73


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ETSI Minas UPM|Dep. Minas FEUP 75

6.3.6 Fragmentacin

Esta herramienta tiene todava la capacidad de predecir la fragmentacin de unavoladura en un determinado tnel. Este apartado inspirado en el modelo de Kuz-Ram permite:

Generacin de curvas de fragmentacin para cada seccin de tnel de distintamalla (figura 6-15).

Generacin de curvas de fragmentacin promedias de Destroza, Recorte yZapateras (figura 6-16)



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0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0,1 1 10 100

P e r c e n t a g e p a s a

( % )

Tamao (cm)

Kuz-Ram

DestrozaZapateras

Recorte

20%

40%

60%

80%

100%

120%

P e r c e n t a g e p a s a

( % )

Kuz-Ram Promedio

Kuz-Ram -Destroza/Zapateras/Recorte



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6.3.7 Zona de calculo

X-Tunnel tiene una zona de clculo donde se realizan los clculos y donde se estipulanlas coordenadas para el dibujo. Esta seccin es una parte independiente (visualmente)dela zona de interface utilizador-herramienta y comprende dos grandes grupos:

Zona de calculo

Zona de generacin de coordenadas

En la zona de clculo, estn alojadas las formulaciones del mtodo Sueco para clculode mallas. Para cada zona de una seccin de tnel se calcula la piedra y el espaciado quesern datos utilizados en la zona de generacin de coordenadas y el utilizador apenasrecorra a ella caso pretendiese hacer algn tipo de ajuste para que la herramienta se

adaptase a alguna situacin.

6.3.7.1 Zona de clculo del Cuele

En esta zona de clculo se determina el diseo del cuele. Como es posible observar en lafigura 6-17, se determinan las configuraciones geomtricas de l, ya en la figura 6-18 severifican los clculos de los consumos en esta seccin de un tnel



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Figura 6-18 - Clculo de los consumos en el cuele

6.3.7.2 Zona de clculo de las zapateras



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6.3.7.3 Zona de clculo del recorte

El aspecto del clculo del diseo de los barrenos de contorno tiene el aspecto presentadoen la figura 6-20.

Figura 6-20 - Clculo de recorte



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6.3.7.5 Zona de clculo de las coordenadas de los barrenos

Esta zona usa criterios y restricciones para posicionar los barrenos de forma correcta.Conjuga todos los barrenos en una nica pantalla por forma a optimizar su distribucinautomticamente mediante la introduccin de los datos de entrada. A ttulo de ejemplo,la figura 6-22 ensea la zona de clculo de los barrenos localizados entre los barrenosde la destroza superior y el cuele.



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7 Aplicacin de la herramienta

Con el objetivo de validar la eficiencia de la herramienta anteriormente descrita, seinici una serie de anlisis de situaciones reales donde se han comparado parmetroscomo el diseo del tnel y anlisis de fragmentacin resultante de una determinadavoladura.

7.1 Caso 1 Diseo de un tnel en la Mina Kittila (Finlandia)

La mina Kittila, en Finlandia es propiedad de Agnico-Eagle Mines Limited y estdedicada a la extraccin de oro. Se examin el diseo de una voladura de un tnel deseccin de 27,7 m2, en roca volcnica, y la tabla 7-1 muestra los parmetros de diseoempleados con los datos de retorno proporcionados por la herramienta X-Tunnel. Elesquema real tiene 3 barrenos sin carga alineados. Para modelar esta situacin se ha

propuesto que el dimetro vaco es:

donde


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Tabla 7-2 - Distribucin del explosivo en los barrenos (Mina Kittila)

Parmetros Kittila Mine -Finland

C u e l e

N Barrenos 14Volumen Explosivo/barrenos (cm3) 7204,0

kg/barreno 7,6

Densidad (kg/m3) 1,05

Z a p a t e r a s

N Barrenos 7Volumen Explosivo/barrenos (cm3) 5757,0

kg/barreno 6,08

Densidad (kg/m3) 1,05

D e s

t r o z a

N Barrenos 22

Volumen Explosivo/barrenos (cm3) 5033,0

kg/barreno 5,33



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Malla de Perforacin

Figura 7-2 - Malla de perforacin - Mina Kittila



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En este primero estudio se utiliz la herramienta de analice de fragmentacin presenteen X-Tunnel. Recorriendo a una foto anlisis, utilizando el Split Desktop (figura 7-3),

se compar el comportamiento de la curva de esa foto con las curvas predichas de cadazona de la seccin del tnel.

Figura 7-3 - Caso 1 - Foto anlisis (Split Desktop)

Entonces se obtuvieron las curvas de la figura 7-4, del anlisis del Split y de la prediccin del X-Tunnel, respectivamente. Cada una usa los datos de la tabla 7-4.

Tabla 7 3 Anlisis de fragmentacin



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0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0,1 1 10 100

P e r c e n t a g e P a s a

( %

)

Tamao (cm)

Fragmentacion SplitDesktop

Split Desktop

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0,1 1 10 100

P e r c e n t a g e

P a s a

( % )

Tamao (cm)

Fragmentacion Kuz-Ram

Kuz-Ram


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7.2 Caso 2 Mina Poderosa (Per)

Para la segunda anlisis, se procur testar la herramienta para tneles de seccin inferiora 10 m2. As se us, como comparacin, un tnel de la mina Poderosa (Cia. MineraPoderosa S.A.). Es una mina dedicada a la extraccin de oro, localizada en Vijus,distrito y provincia de Pataz, departamento de la Libertad, Per. Sus tneles tienen deseccin 5,08 m2 y para la comparacin se introdujo los siguientesin-puts.

Tabla 7-4 - Caso 2 (In-Puts y Out-Puts)

Parmetros MinaPoderosa X-Tunnel Design

I n - p

u t s

D i s e o

Ancho (m) 2,5 2,5Altura (m) 2 2Flecha (m) 0,5 0,5

Dimetro Perf. (mm) 36 36Dimetro vaco (mm) 3 0,036 0,036 =0,072c n.e. 0,45Long. Perforacin 1,55 1,55

Retacado n.e. 0,8

s i v o (g/cm3) 1,2 1,2



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Comparando el diseo modelado con el real, se observa una gran discrepancia entrminos de la ubicacin de los barreno y zona libres de barrenos (principalmente abajo

del cuele).

Figura 7-6 - Malla de perforacin de la Mina Poderosa vs malla de perforacin del X-Tunnel

En relacin a los barrenos de la destroza se verifica una prediccin demasiado de

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

-1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50

Malla de Perforacin


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Asociar una herramienta, como la presentada, a un software de dibujo 3D dondese mirase la evolucin de la abertura de un tnel en un modelo simulando su

envolvimiento dentro del macizo rocoso.



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9 Bibliografa

1. Tatiya, Ratan Raj. Surface and Underground Excavations - Methods, Technics andEquipment. 2005.

2. Kolymbas, Dimitrios. Tunelling and Tunnel Mechanics - A Rational Approach to Tunnelling.2005.

3. Trondheim, University of. Tunneling - Blast Design.

4. A. K. Chakraborty, P. Pal Roy, J. L. Jethwa, and R. N. Gupta. Blast Performance in SmallTunnels - A Critical Evaluation in Underground Metal Mines. 1998.

5. Silva, Valdir Costa e. Operaoes Mineiras. Ouro Preto, Brasil : Departamento de Engenhariade Minas - Escola de Minas - UFOP, 2009.

6. Gustafson, R. Swedish Blasting Technique, . Gothenburg, Sweden : s.n., 1973.

7. Transportation, U.S. Department of. Highway & Rail Transit Tunnel Maintenance &Rehabilitation Manual. s.l. : The Federal Highway Administration, 2005.

8. Langefors, U. y B., Kilstrm. The Modern Technique of Rock Blasting. New York and Almqvist& Wiksell, Stockhom : John Wiley and Sons, Inc., 1963.

9. Sanchidrin, J.A. y Muiz, E. Curso de Tecnologa de Explosivos. Madrid : Fundacin Gomez-Pardo, 2000.


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1 Presupuesto

1.1 Costo directo

Diseo y desarrollo de la plantilla EXCEL - 500,00

Contrato de equipamiento y personal para las voladuras analizadas - 10 000,00

Subtotal A - 10 500,00

Costos de mantenimiento (10%) - 1 050,00 Subtotal B = (A+ Costos de mantenimiento) -11 550,00

IVA (21%) - 2 425,50

COSTO TOTAL - 13 975,50

ETSI - Minas UPM|Dep. Minas FEUP


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DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA PARADISEO DE VOLADURAS EN TNELES



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1 Anexo A Clasificacin de los explosivos

Clasificacin de los Explosivos

Primarios

Fulminato demercurio

Nitruro de Plomo

Estifnato dePlomo

Secundarios

Subtanciasexplosivas

Nitroaromticos

TNT

Esteres nitricos

Nitroglicerina

Nitroglicol

Pentrita

Nitrocelulosa

Nitraminas

Hexogeno (RDX)

Octogeno (HMX)

Mezclasexplosivas

Dinamitas

Pulverolentos

Gelatinosos

Agentesexplosivos

Mezclas NitratoAmnioco

ANFO

Hidrogeles Emulsiones

Heavy Anfo

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