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I

Capítulo 23

VOLADURAS EN POZOS Y CHIMENEAS

1. INTRODUCCION

Además de las excavaciones subterráneas para la explotación de yacimientos o para la apertura de cámaras de grandes dimensiones, en cualquier proyecto de aprovechamiento del subsuelo existen labores como son los pozos y las chimeneas verticales o inclinadas que se caracterizan por el trazado lineal de las mismas y las dificultades de perforación. En las últimas décadas, se han desarrollado numerosos métodos que tienden a la mecanización de los trabajos, mediante la aplicación de técnicas y equipos de perforación especiales, y al aumento de los avances y rendimientos, conjuntamente con las condiciones de seguridad.

2. VOLADURAS EN POZOS Los métodos de ejecución de pozos pueden dividirse en tres grupos:

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Método de banqueo. Método de espiral. Métod0s de sección completa.

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Figura 23.1. Método de banqueo.

de terreno a fragmentar. Dentro de cada corte se vuela una sección de la espiral con un ángulo lo suficientemente grande como para que el tiempo que exige realizar un corte completo coincida cen un múltiplo entero del tiempo de trabajo disponible. Los barrenos en cada radio se perforan paralelos y con la misma longitud, ya que siempre existirá una cara libre que en cada posición desciende.

2.1. Método de banqueo Este método es adecuado para pozos de ..r sección cuadrada o rectangular. Consiste en perforar en cada pega la mitad del fondo del piso, que se encuentra a una mayor cota, dejando la otra mitad para la recogida de aguas, si fuera necesario, o como hueco libre. Las voladuras actúan como en pequeños bancos con un frente libre, desplazando el material hacia el hueco de la pega anterior. El sistema de perforación suele ser manual con martillos neumáticos.

2.2. Método de espiral Se aplicó inicialmente en Suecia y consiste en excavar el fondo del pozo en forma de una espiral, cuya altura de paso dependerá del diámetro del pozo y el tipo

Figura 23.2. Método de espiral.

325

'-Además de las ventajas de rendimientos y costes que presenta este método, otras particularidades interesantes son que puede sincronizarse la longitud del corte en función de la organización del trabajo, son sencillos los esquemas de perforación y sistemas de voladura y no se necesitan perforistas con mucha experiencia. Por último, como el escombro siempre queda en la parte más profunda el equipo de carga puede trabajar con un alto rendimiento.

2.3. Método de sección completa Los métodos de sección completa se utilizan con mucha frecuencia en la excavación de pozos tanto de sección rectangular como circular. Las técnicas de disposición de los barrenos son diversas, pues de forma similar a lo que sucede en el avance de túneles y galerías, es necesario crear inicialmente con algunos barrenos una superficie libre, a no ser que se disponga de un taladro de gran diámetro o chimenea de expansión. Los tipos de voladuras empleados son: con cuele en «V», cónico, paralelo y con barreno de expansión.

Los cueles en «V» se aplican a los pozos con sección rectangular. Los planos de los diedros formados por los barrenos inclinados entre 50° y 75°, deben tener direcciones paralelas a las discontinuidades, a fin de aprovecharlas en el arranque. Los cueles cónicos son los más empleados en los pozos circulares, debido, por un lado, a la facilidad con que se puede mecanizar la perforación de los barrenos y por otro, al menor consumo de explosivo con respecto al cuele de barrenos paralelos. Los taladros se disponen formando en la parte central diversas superficies cónicas invertidas tal como se indica en la Fig. 23.4. Tanto la profundidad de las pegas como el número de barrenos dependen de un gran número de variables como son: el tipo' de terreno, el diámetro de las cargas de explosivo, esquema de voladura, tipo de cuele, organización de los trabajos y sobre todo sección de la excavación. No pueden darse pues unas reglas concretas para las dos variables de diseño citadas, ya que será preciso ajustarlas en cada caso. A título de ejemplo, el número de barrenos necesarios en la ejecución de una gran cantidad de pozos en Sudáfrica, utilizando cargas de 32 mm de diámetro, puede estimarse con la siguiente expresión (Espley-Jones y Wilson, 1979):

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NB = Número de barrenos sin incluir los de contorno si se realizan voladuras especiales.

en pozo de sección

En cuanto a la profundidad de perforación en cada pega, Wild (1984) recomienda partir de los valores indicadQs en la Fig. 23.5. Este mi~mo autor aporta un gráfico sobre el consumo específico de explosivo en función de las dimensiones de los pozos. Fig. 23.6.

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Figura 23.4. Esquemas de perforación con cueles cónicos,

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Figura 23.12. Diseño de voladura con barreno central de gran diámetro.

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El barreno central, además de servir como hueco de expansión en la voladura, resulta ventajoso desde el /

puntode vista de la ventilación.

tes al diseño de equipos y accesorios especiales. Actualmente, las desviaciones pueden mantenerse por debajo del 2% con perforadoras de martillo en cabeza y del 1% con las de martillo en fondo.

C. Método de la plataforma Alimak A. Método del cuele de barrenos vacíos

,

I

Consiste en una jaula con plataforma de trabajo que se desliza a lo largo de unas guías fijadas a la pared de la chimenea. La perforación se realiza mediante martillos pesados y empujadores en barrenos paralelos, consiguiéndose avances por pega de hasta 3 m. En la Fig. 23.13 se in-

dica un esquematípicode disparo.

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BARRENOS VACIOS

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Esta técnica, que se desarrolló en el avance de túneles y galerías, fue la que primero se aplicó en chimeneas con barrenos largos. Los barrenos se perforan con equipos de martillo en cabeza con diámetros entre 51 y 75 mm ensanchando los taladros centrales hasta 100 ó 200 mm de diámetro. Los barrenos se disponen, generalmente, en secciones cuadradas que se disparan por fases en tramos de 2 a 4 m; primero la zona del cuele y a continuacíón las zonas de franqueo, Fig. 23.14, si bien cuando se posee una gran experiencia es posible ejecutar la voladura a plena sección utilizando detonadores de microrretardo en el cuele y de retardo en la destroza. """"","""~

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Figura 23.13. Esquema de disparo con barrenos paralelos.

Una vez efectuada la pega se ventila el fondo de la chimenea inyectando aire comprimido yagua pulverizada. A continuación, se sube la plataforr.la y se procede al saneo del techo reiniciándose de nuevo el ciclo de trabajo.

3.2. Métodos con perforación descendente Los métodos anteriores presentan los siguientes inconvenientes: -

-

Se desarrollan con ciclos completos de gran duración, perforación, voladura, ventilación y saneo, y por tanto los rendimientos son bajos debido a los tiempos muertos. Requieren mucho personal y bastante especializado. Las condiciones de seguridad e higiene no son buenas. El coste de ejecución es generalmente alto.

Para solventar estos problemas, en la década de los años 70 se iniciaron diversas experiencias perforando los barrenos en toda la longitud de la chimenea y efectuando después las voladuras por fases mediante cargas colgadas. Lógicamente, estos métodos exigen una gran exactitud de la perforación, lo cual ha llevado a los fabrican-

Figura 23.14. Secuencia

de avance de una chimenea.

Debe evitarse el gran confinamiento de las cargas a fin de que no se produzca la sinterización de la roca. El cierre inferior de los barrenos se realiza con cualquiera de los métodos descritos en el Capítulo de Voladuras de Producción en Minería Subterránea, y el retacado se recomienda hacerla con agua para eliminar atascos. Los esquemas de los barrenos del cuele pueden estimarse con la siguiente expresión: S = 0, + 1,25 x 02

329

'---' siendo:

s

= Espaciamiento entre barrenos (mm). D, = Diámetro de los barrenos con carga (mm). D2 = Diámetro del barreno central vacío (mm).

y los barrenos de las secciones de franqueo con la ecuación siguiente:

s

barrenos de cuele y primera sección de destroza de una chimenea donde el barreno central de expansión es 'de 150 mm. El contorno de las chimeneas puede perfilarse con voladuras de recorte disponiendo los barrenos con un espaciamiento medio de «13D».

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B. Método del cuele Cráter '--

= 10 X D, + 500

En cada sección la piedra se aconseja que no sea mayor que la anchura del hueco contra el cual rompe cada barreno. Las concentraciones lineales de carga en los barrenos del cuele y destroza se determinan con las dos siguientes expresiones:

Consiste en abrir una cavidad de aproximadamente 1 m2 con cinco barrenos de diámetros comprendidos entre 65 y 102 mm colocando las cargas de explosivo para

quetrabajenen formade voladurasen cráter.

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q = 0,03 X D, - 0,85 q = 0,0125 X D, + 0,26.

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donde:

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En la Fig. 23.15 puede verse el esquema de tiro de los Figura 23.16. Esquema de perforación en el método del cuele cráter. ,.

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Una vez efectuado el cuele en toda su longitud se lleva a cabo la destroza, empleando los esquemas y las cargas indicadas en el método anterior. La configuración y situación de las cargas se determinan mediante la teoría de Livingston:

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La longitud de la columna de explosivo debe ser menor de «6D» para que actúen como cargas esféricas. La profundidad óptima de la carga es aproximadamente el 50% de la profundidad crítica:

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Según la teoría de Livingston la profundidad crítica vale:

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La cantidad de carga «Q» en el barreno, para una

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densidad de explosivo «Pe », vale: 3xnxD3

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Figura 23.15. Esquema de perforación y secuencia de encendido en chimenea con barreno central de gran diámetro.

330

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donde:

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tomando un valor medio de Pe = 1,3 g/cm3 resulta

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que la profundidad óptima en función del diámetro del ~

barrenoes aproximadamente:

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Do=13,7D

"Do» es la distancia entre la cara libre y el centro de gravedad de la carga en el barreno central. En el resto de los barrenos la profundidad aumenta en escalones de unos 10 a 20 cm. Los barrenos no deben estar demasiado próximos para evitar la sinterización de la roca.

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Figura 23.18. Esquema de voladura en chimenea el método "VC».

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Las ventajas que ofrece este método frente al anterior son: Figura 23.17. Secuencia de encendido y distancia de las cargas a la cara libre.

-

Las ventajas del sistema del cuele cráter frente al método del cuele paralelo son las siguientes: -

-

Menores costes de perforación, al ser el número de barrenos inferior y eliminar el ensanchamiento por escariado del barreno central, y No se precisa una perforación tan exacta.

-

Menores costes de perforación y menor número de barrenos. Mayor facilidad de carga del explosivo. Ejecución de la chimenea en una sola fase y, por consiguiente, menor tiempo de excavación, y Posibilidad de perforar con los equipos de producción de martillo en fondo.

En la Fig. 23.19 se representa el esquema de perforación que se ha utilizado en la mina de Rubiales, para la excavación de chimeneas con barrenos de 165 mm (6'/2"). Dicho esquema está constituido por dos mallas

C. Método-"VCR» 1,20

1,20

Paralelamente éf la difusión del método de Cráteres Invertidos, en la explotación de yacimientos metálicos se desarrolló el sistema de ejecución de chime;.!'

TABLA 23.1 DIAMETRO DEL BARRENO (mm) ./

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a los que se utilizan en las voladuras de producción, se disponen en secciones cuadradas con las cargas de explosivo a la misma altura. En la Tabla 23.1 se recogen dos ejemplos reales debidos a Lang (1981), empleando hidrogeles de alta densidad.

A.3:

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neas "VCR», que se basa en los mismos principios que el método del cuele cráter. En este caso los barrenos, con diámetros semejantes

Sección de la chimenea Espaciamiento - S (m) Carga de hidrogel por barreno.. Qb (kg) Longitud de retacado -T (m) Avance por pega -x (m)

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2,40 x 2,40 1,20

3,60 x 3,60 1,80

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COTAS

EN m

Figura 23.19 Esquema de perforación de una chimenea de 2 m de diámetro con barrenos de 165 mm (Caste/ls, 1991). 331

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hexagonales y otra interior triangular. Estas chimeneas se utilizan para la explotación de las cámaras disparando las voladuras de producción hacia el frente abierto por éstas. En la Tabla 23.2 se recogen algunos datos de interés de las citadas voladuras.

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TABLA 23.2

',Diámetro de perforación .............................. Distancia de la carga al cielo de la cámara.. Longitud de carga........................................ Relación longitud (diámetro de carga) ......... Carga total de explosivo .............................. Tipo de explosivo......................................... Número de cartuchos .................................. Avance por pega..........................................

165 mm 1m 1m 6 21 kg Hidrogel encartuchado 3 (7 kg) 3m

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"Figura 23.20.

Disparo de voladura con hueco central de gran diámetro.

"D. Método combinado Consiste en la apertura, mediante Raise-Boring, de una chimenea piloto de un diámetro de 1 a 2 m y utilización posterior de dicha labor como hueco de expansión. El método es aplicado en los grandes proyectos subterráneos de obra pública y en la excavación de pozos o chimeneas de gran sección. Las ventajas principales que presenta son:

-

'-

'-

Esquemas amplios de perforación y, por consiguiente, costes bajos. Cargas de explosivo relativamente pequeñas y, por lo tanto, menores daños a la roca remanente. Posibilidad de ejecutar el disparo de toda la chimenea de una sola vez.

'-

En la Fig. 23.20 se indica el esquema y la secuencia de encendido de una voladura por este procedimiento. La distancia del primer barreno al hueco excavado mecánicap1ente debe ser pequeña, pues el frente libre es cóncavo y la roca se encuentra bastante sana después de dicha excavación.

BIBLlOGRAFIA

Foto 23.1 . Excavación vertical de destroza aprovechando superficie libre de una chimenea perforada por Raise Borer (Central Hidráulica de Saucelle. Chimenea de equilibrio).

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- ATLAS COPCO: «El Cuele Cráter en la Perforaciónde Chimeneas». - CASTAÑON, C. y CASTELLS, E.: «Métodos de Perforación y Voladuras empleados en la Mina de Rubiales». IV Seminario de Ingeniería de Arranque de Rocas con Explosivos en Proyectos Subterráneos. Fundación GómezPardo. 1990. - ESPLEY-JONES, R. C., and WILSON, J. C. B.: «South African Blasting Practice in Shaft Sinking». SEE, 1979.

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