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V Simposium Internacional de Tecnología de la Información Aplicada a la Minería 14 – 17 de septiembre, 2004 Lima-Perú

EL “BLASTWARE III” E “MLINREG.BAS” COMO HERRAMIENTAS PARA LA PREVENCIÓN Y CONTROL AMBIENTAL DE VIBRACIONES EN VOLADURAS

Vidal Navarro Torres, Ph.D., [email protected] Investigador de FCT y del Centro de Geotecnia del IST de la Universidade Técnica de Lisboa

Pedro Marques Bernardo, M.Sc., [email protected] Investigador del Centro de Geotecnia y Profesor del IST de la Universidade Técnica de Lisboa

RESUMEN Trabajos de explotación de minas e excavaciones con uso de explosivos en áreas próximas a centros urbanos o poblaciones, generan problemas ambientales diversos y entre ellos los relacionados a las vibraciones, que por causa de la voladura pueden generar daños de estructuras y también causar perturbación humana. Para realizar la prevención y control de vibraciones ocasionadas por las voladuras, una metodología muy utilizada es establecer la ley de propagación de la velocidad de partículas considerando el tipo de macizo rocoso, la carga explosiva y la distancia. Una vez establecida esta ley es posible implementar medidas de prevención y control que permitan atenuar y evitar los daños estructurales y humanos. El trabajo de caracterización de la ley de propagación de la velocidad de partículas, requiere un cuidadoso trabajo de mediciones en determinadas condiciones de voladuras y para diferentes distancias utilizando sismógrafos. Actualmente estos equipos son de alta sensibilidad, e pueden trabajar con muchos canales y geófonos simultáneamente, registrando en su memoria los eventos de las vibraciones. Los eventos de vibraciones guardados en la memoria del sismógrafo pueden ser transferidos a un ordenador y ser analizados, utilizando el programa BLASTWARE III, la variación tridireccional de velocidades, las frecuencias dominantes, etc. Los resultados del análisis de los eventos de vibraciones permiten obtener información para determinar la ley de propagación de la velocidad de vibración de partículas mediante la técnica de regresión múltiple con uso del programa MLINREG.bas. El presente trabajo incluye una propuesta de un procedimiento (metodología) a aplicar a este tipo de situaciones, mostrado en un flujograma que detalla todos los pasos, ejemplificados con casos portugueses.

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1. INTRODUCCIÓN La voladura de rocas fue considerada como arte, basada en la experiencia y pericia de los operadores. En la actualidad y cuando las exigencias ambientales son cada vez mas restrictivas, se necesita aplicar procedimientos científicos y fundamentos basados en conceptos de la Dinámica de Rocas, aspecto que permite conocer mejor la acción de los explosivos en los macizos rocosos, en función de los mecanismos de rotura y respectivas propiedades geomecánicas. La falta de considerar los parámetros geológicos, estructurales y mecánicos de la roca a ser volada y de los procedimientos de prevención y control, las voladuras pueden causar grandes magnitudes de impactos ambientales, que generalmente es debido a la aplicación de excesiva carga explosiva, que pude ir mas allá de lo requerido para fragmentar la roca. La mitigación o reducción, de los impactos ambientales relacionados con voladuras, exige un adecuado dimensionamiento de los parámetros del plano de perforación y voladura sea en voladura superficial o subterránea. En este plano deben ser definida una adecuada malla de perforación, su profundidad, sus respectivas cargas y la secuencia de salida (Bernardo, 2003). Según Dinis da Gama (1998), sólo cerca de 5 a 15 % de la energía liberada en la voladura de rocas, son efectivamente aprovechados para fragmentar la roca. Por lo que la mayor parte de la energía contenida en los explosivos es transferida al ambiente circundante en forma de efectos colaterales, susceptible de causar impactos significativos. De esos efectos, son cinco los que se destacan: vibraciones transmitidas a los macizos y a las estructuras adyacentes, onda aérea (ondas de choque que se propagan a través de la atmósfera conocidos como “airblast” y también manifiestos en forma de ruido), proyección de fragmentos de roca, creación de polvos y sobrerrotura del macizo rocoso. Las vibraciones constituyen la causa mas común de las preocupaciones y de protestas de las personas afectadas en las vecindades de los trabajos de voladura. En algunos casos estos reclamos pueden ser debido al desconocimiento de la comunidad o por la acción de sorpresa causada por el disparo. Por lo tanto, los disparos deben ser efectuados en conformidad con la legislación y en horarios propicios, por que el choque y la ansiedad generados por los eventos de vibración, estimulan a los propietarios a procurar daños estructurales en sus propiedades y afecciones físicas. El limiar de la percepción humana (sujeto a la susceptibilidad de cada individuo), es muchas veces la base de reclamos por parte de terceros que, al sentir los disparos, pueden imputar a los trabajos de excavación todos los

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daños ocurridos en sus residencias, a pesar de que las intensidades de vibración sean considerablemente inferiores a los límites máximos admisibles. El limiar de la percepción humana, establecidas por varios autores obedecen a los criterios siguientes: ü Los

que dependen solamente de la amplitud de la vibración– por ejemplo, Kiely (1999) admite que el limiar de la percepción humana es igual a 0.3 mm.s-1. ü Los que definen niveles de vibraciones detectables por el hombre, como resultado del binomio velocidades de vibración y sus respectivas frecuencias – por ejemplo, Goldman (1948) considera la incomodidad causada por la velocidad de vibración, decreciente con la frecuencia, como se observa en la figura siguiente:

-1

V (mm.s )

Intolerable Estandarización estructural (valores máximos de la USBM)

Incómodo Perceptible

f (Hz)

Figura 1. Comparación de la respuesta humana a la vibración mecánica (según Goldman, 1948) con la normalización estructural (USBM - RI 8507, 1981) Según este último criterio, los niveles de vibración detectables por el hombre, considerando la velocidad de vibración y sus respectivas frecuencias, pueden clasificarse en tres niveles: perceptibles, objetables (incómodos) y peligrosos (intolerables). Éstas últimas son capaces de provocar daños en estructuras y constituyen una gama de valores para los cuales fueron pensados la mayoría de los estándares vigentes en diversos países. Para la evaluación del daño estructural generalmente son utilizados valores conservadores, y así mismo, pueden superar los límites para el confort ambiental (Figura 1).

2. EFECTOS DE VOLADURAS Y GESTIÓN AMBIENTAL Los cinco impactos típicos de las voladuras (antes referidos) pueden ser asociados al concepto de grado de riesgo, que se puede cuantificar a través del

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producto entre la probabilidad de la ocurrencia de aquél impacto y su gravedad, en términos del efecto sobre los descriptores ambientales (Clayton, 2001). No deben ser confundidos los conceptos de Riesgo y Peligro, pues (según, Guerreiro, 2003): ü Riesgo

- probabilidad del potencial agente expuesto a ser afectado en las condiciones de uso y/o exposición, interesando la amplitud del daño; ü Peligro - propiedad o capacidad intrínseca de algo (por ejemplo: materiales, equipos, métodos y prácticas de trabajo) que tiene una potencialidad para causar daños. Considerando estos dos factores, las vibraciones se destacan por el riesgo asociado, a la energía transmitida al macizo, a la perturbación de estructuras y personas, si éstos están en las proximidades de los trabajos de voladuras. Otros impactos son de menor grado de riesgo, por que ocasionan daños menores o por que tienen menor probabilidad de ocurrencia. Por ejemplo, estudios estadísticos (Lundborg, 1981 referidos en Dowding, 1992) muestran que, en circunstancias normales, la probabilidad de la ocurrencia de proyecciones de fragmento a 600 m es de 1 para 10000000. Además, este tipo de impactos, pueden ser controlados fácilmente mediante la aplicación de capas sobre la zona de voladura (blasting barricades). Los efectos de las voladuras en terrenos y estructuras circundantes pueden ser expresados en términos de desplazamientos permanentes y transientes de las partículas constituyentes. Los efectos permanentes son constituidos esencialmente por degradaciones de la integridad y desplazamientos efectivos, con deformación no recuperable, de partes del macizo o estructura. La degradación es normalmente definida como la intensidad de fisuración resultante y está íntimamente ligada al diámetro del taladro (directamente proporcional). Los desplazamientos son causados por la expansión de los gases o por efecto de la vibración y están en función de la red de fracturación pre-existente. Los efectos transientes son los que resultan directamente de la naturaleza de la vibración, expresados en forma de vibraciones en los terrenos y en forma de onda aérea. En el caso de que no ocurran los efectos permanentes, los transientes son temporarios, significando esto que las partículas (del terreno o de la estructura) retornan a sus posiciones originales después del paso de la onda que transporta la tensión dinámica. Con relación a los macizos rocosos o estructuras afectadas, estos efectos transitorios pueden ser divididos (por orden creciente de distancia a la voladura) en: distorsiones estructurales, aumento o propagación de fisuras préexistentes, caída de objetos, daños cosméticos, afección de instrumentos sensibles, percepción humana y el ruido. Las cuatro primeras consecuencias señaladas (que son relacionadas con la respuesta de la estructura), no llegan a

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ocurrir cuando los límites máximos admisibles son considerados para prevenir los daños cosméticos. Los efectos ambientales referidos requieren ser abordados no solo mediante procedimientos técnico-científicos apropiados, sino que también mediante una gestión ambiental que permita mitigar o atenuar éstos efectos a niveles permitidos por las normas o estándares existentes. En tal sentido, el modelo de gestión aplicable a este caso puede ser el desarrollado en el Centro de Geotecnía del Instituto Superior Técnico de Lisboa (Figura 2). .ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN EXISTENTE o Litología y estructuras consideradas o Plano de perforación y voladura usado o Posibles daños registrados en la voladuras o Leyes de propagación obtenidas

Necesidad de aplicar voladura de rocas en zonas próximas a una población No Proyecto nuevo?

Si

CARACTERIZACIÓN o o

Ámbito de acción y situación voladura-estructuras Situación de referencia y ley de propagación

Identificación del riesgo o impacto ambiental

Base de datos

v = a.Q b .D c No

Aplicación de medidas preventivas o correctivas

Monitorización y control

Riesgo o impacto negativo? Si

Reporte final y revisión por la autoridad competente

Si es aprobado

Búsqueda de medidas preventivas y correctivas

Figura 2. Modelo para la gestión ambiental de vibraciones para voladuras (Navarro Torres, V.F. et al., 2004)

3. PREVENCIÓN Y CONTROL AMBIENTAL DE VIBRACIONES EN VOLADURAS Según Holmberg los fenómenos de rotura de roca por acción explosiva, son caracterizados por velocidades de vibración en orden de 700 a 1000 mm.s-1 (Hustrulid, 1982), por lo que los impactos ambientales por las voladuras, son esencialmente debido a la vibración. Pero; las vibraciones causadas por los equipos son menos importantes. Los problemas ambientales generados por las voladuras se tornan importantes cuando la explotación de minas u obras de excavación se realizan próximo a áreas urbanas, por que las comunidades vecinas exigen, cada vez mas, la garantía de la integridad física de sus construcciones y el confort ambiental.

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Los factores que influencian la atenuación de las vibraciones con la distancia son (Sarsby, 2000): la expansión geométrica de las ondas, la progresiva separación de las tres componentes (horizontal, transversal y vertical), la presencia de discontinuidades en los macizos (causando reflexiones, refracciones, difracciones y dispersiones) y la fricción interna dinámica de las rocas. Bajo ciertas condiciones las ondas no se atenúan necesariamente con la distancia. Por ejemplo en medios estratificados y si su geometría favoreciera, las ondas pueden concentrarse o sobreponerse a otras reflejadas, siendo posible medir mayor amplitud de vibraciones en puntos mas distantes (Azevedo & Patrício, 2001). Los efectos de las vibraciones sobre las estructuras, no dependen solo de la distancia y del tipo de estructura, sino también de la litología local y de los materiales de fundación.

3.1. Definición de los parámetros fundamentales Según Kramer (1996), las principales características de las vibraciones son: la amplitud (expresada por el desplazamiento, velocidad y aceleracón de las ondas), la frecuencia y la duración. Investigaciones emprendidas en diversos países son concordantes en admitir que los daños estructurales se correlacionan con la amplitud de las ondas sísmicas y que entre los parámetros físicos mas representativos es la velocidad de vibración de partículas (Dinis da Gama, 1998). Dowding (1992) considera que, por ocurrir los daños estructurales debido a las tensiones inducidas, la velocidad máxima puede ser usada como un indicador de las tensiones dinámicas (Ecuación 1). σ d = ρ .c.v

(Ecuación 1)

En que, σd representa la tensión dinámica, ρ.c representa la impedáncia de la roca (ρ es masa específica, c e la velocidad de propagación de las ondas P) y v es la velocidad de vibración de partículas en el macizo. Investigaciones realizadas demuestran que la afección transiente y permanente, son función inversa de la frecuencia. Así, por ejemplo, una residencia es menos afectada por una vibración de velocidad pico a una frecuencia de 80 Hz, a comparación de una frecuencia de 10 Hz (Dowding, 1985) (Figura 1).

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3.2. Obtención de los parámetros fundamentales La determinación de las propiedades dinámicas de los macizos donde detonan explosivos, recorriendo a las mediciones de vibraciones y posterior tratamiento de los datos, posee una doble finalidad: la caracterización de los tipos de roca presentes y la utilización de estos datos en la previsión de los mecanismos de propagación de las vibraciones en el macizo (Dinis da Gama, 1988). Es fundamental obtener, a partir de mediciones de vibraciones, los parámetros que permiten el análisis de las vibraciones, la velocidad de vibración de partículas y la frecuencia. La obtención de esos datos experimentales (trabajos de campo) es hecha con sismógrafos de ingeniería dotados de geófonos múltiples, apropiadamente localizados en el terreno con relación a la geometría de la voladura. Los geófonos transforman la energía mecánica de vibración en energía eléctrica con intensidad proporcional al movimiento de oscilación del macizo. Después de cada detonación los geófonos reciben los impulsos sísmicos, en diferentes instantes, registrándolos. En ese registro, dependiendo de los límites de detección del equipo y del “trigger” (valor mínimo de activación, definido para dar inicio la medición), queda señalado el instante de la detonación, que constituye el inicio del conteo del tiempo, relacionado a ese evento de vibración. Las ondas sísmicas inducidas por las voladuras al macizo tienen tres componentes: longitudinal (L) en dirección horizontal que pasa por los puntos de detonación y de medición), transversal (T) perpendicular al anterior y vertical en dirección vertical y ortogonal a las anteriores (V), pudiendo aún ser medida la onda aérea.

T(mm.s-1) V(mm.s-1) L(mm.s-1)

A t B Leyenda: Ú: trigger (t=0) A: pico de L B: pico de V C: pico de T

C

tA ≠ tB ≠ tC

Figura 3. Ejemplo de un registro de vibraciones (registrado por BLASTWARE III)

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t

t

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El valor máximo de la velocidad, registrado en el evento vibratorio, normalmente designado por PVS (“peak velocity sum”), es presentado en los sismogramas como el resultado del cálculo de la resultante del vector (L,V,T), correspondiendo a las tres coordenadas al mismo instante de tiempo (t) (Ecuación 2) y no el resultante del vector con las componentes máximas (puntos A,B,C de la Figura 3) en instantes de tiempo distintos (Ecuación 3). Es usual que ocurra en el instante de tiempo correspondiente al mayor de las componentes registradas (A, B o C), siendo generalmente 5 a 10 % mayor que este pico (Dowding, 1992). v máx =

v máx