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VIBRACIONES PRODUCIDAS POR VOLADURA

1

VIBRACIONES • Las vibraciones que originan las voladuras de rocas, es uno de los problemas más importantes que enfrentan hoy en día, las operaciones mineras y las áreas pobladas próximas a la explotaciones. • La energía explosiva liberada al detonar los explosivos genera efectos: el más importante fragmentar, fracturar y deformar el material dentro del cual el explosivo es detonado; sin embargo existen efectos secundarios que producen: proyecciones de roca, formación de nubes de polvo, ondas aéreas, ruido y formación de vibraciones sísmicas.

2

INTRODUCCION


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 todas direcciones, con intensidades que dependen de la energía del explosivo, geometría de la voladura y la secuencia de detonación.




Por lo tanto para limitar éstos efectos se debe llevar a cabo alguna técnica de voladura controlada, de manera tal de minimizar los efectos sobre el entorno (macizo rocoso).




El control de las vibraciones hoy en día es un factor ha considerar cuando se requiere que los taludes sean más estables y el resultado de la voladura sea el esperado. 3

VIBRACIONES • Las vibraciones generadas por las voladuras se transmiten en el macizo rocoso como ondas sísmicas cuyo frente se desplaza radialmente a partir del punto de la detonación. Las distintas ondas sísmicas se clasifican en dos grupos: Ondas Internas (primarias o de compresión) y Ondas Superficiales (transversales o de cizallamiento)

4

TIPOS DE ONDAS • Se producen tres tipos de ondas, dependientes de la dirección en que estas se mueven: 1. ONDA DE COMPRESIÓN (P): Las partículas oscilan en la misma dirección de propagación. 2. ONDA TRANSVERSAL (S): Las partículas oscilan en forma transversal a la dirección de propagación . 3. ONDA SUPERFICIAL (R): Son generadas en la superficie en respuesta a la interacción de las ondas P y S en la superficie. Alguna semejanza tienen con las ondas del océano en las cuales el movimiento de la partícula es elíptico. 5

TIPOS DE ONDAS PARTICULA EN MOVIMIENTO

ONDA P

DILATACION

PARTICULA EN MOVIMIENTO

ONDA S

DIRECCION DE PROPAGACION

ONDA R

ONDAS SUPERFICIALES

ONDAS INTERNAS

COMPRESION

TRAYECTORIA DE LAS PARTICULAS

DIRECCION DE LA PROPAGACION DE LAS ONDAS

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VARIABLES QUE AFECTAN LAS VIBRACIONES • Geología Local y características de las rocas: En los macizos rocosos homogéneos y masivos las vibraciones se propagan en todas direcciones. En estructuras geológicas complejas, la propagación de ondas puede variar con la dirección y presentar diferentes tipos de atenuación y leyes de propagación.

• Cantidad de explosivo: Es el factor mas importante que afecta a la generación de vibraciones, a mayor carga explosiva, mayor magnitud de vibraciones.

• Distancia al punto de voladura: Al igual que la anterior tiene una gran importancia, conforme la distancia aumenta la intensidad de las vibraciones 7 disminuye.

Efecto de la Geología

La amplitud disminuye, la frecuencia disminuye.

Roca

Suelo 8

Efecto de la Distancia

9

Efecto de la Distancia

255 mm/s

87.6 mm/s

VPP= 255 mm/s ubicado a 50 m

23.5 mm/s

VPP= 87.6 mm/s ubicado a 100 m

VPP= 23.5 mm/s ubicado a 150m 10

EQUIPOS PARA EL MONITOREO DE VIBRACIONES


Para realizar el monitoreo se utilizan equipos especializados los cuales constan de los siguientes componentes: TRANSDUCTORES (geó geófonos) fonos) que se instala en forma en el interior o en superficie del macizo rocoso. SISTEMA DE CABLES (paralelos) que llevan la señ señal captada desde el geó geófono al equipo. EQUIPO DE ADQUISICIÓ ADQUISICIÓN, el cual recibe la señ señal y la almacena. Instantel. Instantel. COMPUTADOR, COMPUTADOR, el cual tiene incorporado el software necesario para el aná análisis de la informació información. 11

EQUIPOS DE MONITOREO

Geófono triaxial

Sismógrafo Sismografo Instantel

12

La importancia de la medición de Vibraciones 1.

Si se miden las vibraciones producidas por una Voladura se puede estimar la probabilidad de dañ daño que el macizo rocoso puede sufrir.

2.

Se puede relacionar esta vibració vibración con las variables que intervienen en la Voladura, pudié pudiéndose utilizar para predecir las vibraciones producidas por voladuras futuras.

3.

Se puede utilizar el monitoreo de las vibraciones como una herramienta de diagnó diagnóstico, para determinar el grado de interacció interacción entre las variables de la voladura.

4.

De un aná análisis del registro de vibraciones, es posible determinar entre otros, lo siguiente: tamañ tamaño de voladuras, cargas detonando en una secuencia de encendido dada, detonació detonación deficiente de cargas, detonaciones instantá instantáneas. 13

VIBRACIONES PRODUCIDAS POR VOLADURA La Vibración es un Esfuerzo que induce Fracturamiento

Dentro Dentrode dela lavoladura voladura == Fragmentación Fragmentación Impacto en el Campo Cercano

Fuera Fuerade dela lavoladura voladura == Daño Daño Impacto en el Campo Lejano 14

Criterios Generales de Daño En la actualidad la mayoría de los estudios de daño producto de voladuras, están basados en el parámetro velocidad de partícula y sus esfuerzos están dirigidos principalmente al área de la Construcción Civil. Un avance importante al respecto, fue la incorporación de una nueva variable, como es la FRECUENCIA de la vibración. “La peligrosidad con respecto a una estructura de una vibración no está dada solamente por el valor pico de dicha vibración, sino también por la frecuencia de la misma. La peor situación se produciría cuando la frecuencia de la onda que va excitar una determinada estructura es igual a la frecuencia de resonancia de dicha estructura. En este caso se produce la máxima absorción de energía por parte de la estructura y hay mayor probabilidad de que se pueden causar daños a la misma. Es muy importante determinar cuales son las frecuencias predominantes de la onda generado por la voladura”

15

CRITERIO DE PREVENSION DE DAÑOS EN ESTRUCTURAS Unites States Bureau of Mines (USBM) – 1971

Velocidad de partí partícula (pulg./s)


177,8

Dañ Daños mayores

16

Criterios de Daño a Estructuras

Grupo I: Edificios y naves industriales ligeras con estructuras de hormigón armado o metálicas. Grupo II: Edificios de viviendas,.oficinas, centros comerciales y de recreacion. Edificios y estructuras de valor arqueológico , arquitectónico o histórico que por su fortaleza no presenten especial sensibilidad a las vibraciones. Grupo III: Estructuras de valor arqueológico, arquitectónico o histórico que presentan una especial sensibilidad a las vibraciones o por elementos que pudieran contener.

17

Criterios de Daño a Estructuras

18

19

20

21

Daño a la Roca Se considera daño a la roca la alteración indeseada de sus propiedades geomecánicas como producto del sometimiento a esfuerzos mecánicos generados por la voladura.

“Cambio en la Matriz de Fracturas de la Estructura de la Roca”  

Número de Fracturas Condición de las Fracturas: longitud, apertura, rugosidad. 22

Efectos del Daño  Fracturamiento masivo, en la zona circundante a los taladros.  Creación de nuevas fracturas.  Dilatación de fracturas existentes, tanto en espesor como en longitud.  Disminución de cohesión de bloques in- situ.  Deslizamiento de cuñas.  Disminución del ángulo del talud.

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Para comentar:

ANTES

24

DESPUES

25

Deformación y Vibración….

Deformación = ε = f (PPV, Vp) = f (σ, E)

σ PPV ε= = Vp E σt = Resistencia a la Tracción. (Mpa) E = Módulo de Young. (Gpa) Vp = Velocidad de Onda P. (m/s) PPV = Velocidad Pico Partícula (mm/s) 26

Nivel Crítico de Vibraciones (PPVmax)

p ⋅ σt V PPV max = E

Propiedades de la Roca

27

Teoría de Daño



El PPV crítico (“PPVmax”) es una característica de cada roca. La intensidad del daño es proporcional a este nivel máximo de vibraciones PPV max: – – – –

Dilatació Dilatación de fracturas existentes Aparició Aparición de nuevas grietas Dañ Daño notorio u obvio Sobrequiebre

⇒ ⇒ ⇒ ⇒

1/4 * PPVmax PPVmax 4 * PPVmax 8 * PPVmax

28

Ejemplos de Niveles Críticos






Granito Andesita Arenisca Pizarra Concreto

850 mm/s 600 mm/s 450 mm/s 350 mm/s 250 mm/s

29

MEDICION DE ONDA P OBJETIVOS

1)Medir la Velocidad de la Onda P por tipo roca. 2)Calcular el PPV critico, teniendo la resistencia a la tracccion y el modulo de Joung.

30

MEDICION DE ONDA P INSTUMENTACION Y MATERIALES •Geófono Uniaxial o Triaxial de Campo Cercano, 02 por tipo de Roca. •Equipo Instantell, 04 Canales u 8 Canales. •Software de Configuración Blastware. •Caja de Conexión. •Tubo de PVC 3 pulg. y pegamento. •Concreto. •Carga Explosiva (Fuente Sísmica).

31

MEDICION DE ONDA P INSTALACION DE GEOFONO

1. Según Perfil del Arreglo

GEOFONO UNIAXIAL Geofono Uniaxial

Resistencia : 78 Ohm Frecuencia : 14 Hz Resistividad : 0.0016113 V/mm/s

32

METODO CROSS HOLE

TALUD Prueba 2

Prueba 1 10 m

Geófono 1

Prueba 4

Geófono 2 10 m

10 m

Prueba 3 10 m

10 m

9m

9m

Precorte Prueba 2

Prueba 1

Prueba 4

8m

Prueba 3

8m

10 m 10 m

10 m

10 m

Geófono 1

10 m

Geófono 2

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MEDICION DE ONDA P – ROCA ANDESITA - UBICACION DE LA PRUEBA

N

S

34

MEDICION DE ONDA P – Roca Andesita (Prueba 1)

Distancia

10 m

Tranv.

0.00378 seg.

Vp (m/s)

2645.5

Vert.

0.00305 seg.

Vp (m/s)

2857.1

Long.

0.00367 seg.

Vp (m/s)

2724.8 35

MEDICION DE ONDA P – Roca Andesita (Prueba 2)

Distancia

10 m

Tranv.

0.00420 seg.

Vp (m/s)

2380.9

Vert.

0.00428 seg.

Vp (m/s)

2336.4

Long.

0.00390 seg.

Vp (m/s)

2564.1

36

MEDICION DE ONDA P – Roca Andesita (Prueba 3)

Distancia

10 m

Tranv.

0.00342 seg.

Vp (m/s)

2923.9

Vert.

0.00366 seg.

Vp (m/s)

2732.2

Long.

0.00403 seg.

Vp (m/s)

2481.4 37

MEDICION DE ONDA P – Roca Andesita (Prueba 4)

Distancia

10 m

Tranv.

0.00378 seg.

Vp (m/s)

2645.5

Vert.

0.00220 seg

Vp (m/s)

4545.4

Long.

0.00354 seg.

Vp (m/s)

2824.9 38

Resumen de ONDA P – Roca Andesita

TIEMPO

DISTANCI A

ONDA P (m/s)

Long. Tranv. Vert. 111

0.00367 seg. 0.00378 0.00305

10 m

2724.8 2645.5 2857.1

Long. Tranv. Vert. 222

0.00390 seg. 0.00420 0.00428

10 m

2564.1 2380.9 2336.4

Long. Tranv. Vert. 333

0.00403 seg. 0.00342 0.00366

10 m

2581.4 2923.9 2732.2

Long. Tranv. Vert. 444

0.00220 0.00378 seg. 0.00354 seg.

10 10 m m

4545.4 2645.5 2824.9

GEOFONO

2673.8 2648.9 2641.9

ONDA P (m/s) 2658.7

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Teoría de Daño



El PPV crítico (“PPVmax”) es una característica de cada roca. La intensidad del daño es proporcional a este nivel máximo de vibraciones PPV max: – – – –

Dilatació Dilatación de fracturas existentes Aparició Aparición de nuevas grietas Dañ Daño notorio u obvio Sobrequiebre

⇒ ⇒ ⇒ ⇒

1/4 * PPVmax PPVmax 4 * PPVmax 8 * PPVmax

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PPV critico – Roca Andesita

PPVCritico

Vp ⋅ σt = E

En roca del tipo Andesita, las voladuras no deben exceder 296 mm/s 41

Modelamiento de Vibraciones

PPV = f ( Wt, 1/dist ) Ecuación General de Comportamiento de Vibraciones

PPV = K . Wt –β . dist α PPV : Velocidad Pico Partícula (mm/s). d: Distancia de la Carga explosiva al punto de monitoreo (m). W: Peso del explosivo (Kg.). K: Factor de Velocidad. α: Factor de Decaimiento

42

Modelamiento de Vibraciones Ecuación de Comportamiento de Vibraciones Modelo DEVINE y DUVALL

Distancia entre la carga explosiva y el detector.

PPV

=K

[

d ]

α

W Peso de la Carga Explosiva Velocidad Pico Partícula Constantes de propiedad de la Roca 43

Modelamiento de Vibraciones Ecuación de Comportamiento de Vibraciones Modelo DEVINE y DUVALL

PPV

=K

[

d ]

α

W Tomando logaritmo a la ecuación para hacerlo lineal:

Log (PPV) = Log (K) + α Log

[

d

]

W La ecuación se convierte en una ecuación del tipo:

Y

= a +mX

44

Resumen de Vibraciones – La Quinua

45

Se ha elaborado un programa en Excel para ingresar solo datos de PPV, d y W. Coeficiente de Correlación; este valor debe ser cercano a 1 para aceptar el modelo. (mayor a 0.80). De ser demasiado bajo debemos eliminar algunos datos, esto observando la grafica.

Modelo Promedio

PPV K 90%

= 55 *

[ d ]

-1,83

W

46

Modelo Ajustado La línea en azul es el modelo promedio, describe la condición media de la población de datos, es decir, el 50 % de los datos se ubicarán por debajo de la curva que representa el modelo y los 50% restantes se encontrarán sobre la curva. Matemáticamente esto es correcto, sin embargo, significa que existe una probabilidad de 50% que una carga explosiva producirá un nivel de vibración que supera a lo predicho por el modelo, situación que deja inútil el modelo. La solución se encuentra en desplazar el modelo (línea en celeste) hasta que sus predicciones cubran una mayor cantidad de datos de campo, en rangos que oscilan entre 80% y 95%, haciendo mas confiable y segura la estimación de vibraciones.

Modelo Ajustado

PPV K 90%

= 116 *

[ d ] W

47

-1,83

Ábaco para determinar la carga máxima por voladura Una vez obtenido el modelo, podemos construir ábacos o una hoja de calculo, para predecir las vibraciones, determinar máxima carga por voladura, distancia minima de la voladura.

Teniendo como restricción un PPV max = 13 mm/s, a una distancia de 200 m., podemos disparar como máximo 3675 Kg. de explosivo para no generar vibraciones mayores a 13 mm/s. Teniendo como restricción un PPV max = 13 mm/s, a una distancia de 400 m., podemos disparar como máximo 14701 Kg. de explosivo para no generar vibraciones mayores a 13 mm/s. 48

Modelo de Campo Cercano Holmberg y Persson γ: Densidad de Carga Lineal (Kg/m) XS K,α,β : propiedades de Roca

X0 X

R0 H

X-X0 dx

PPV = K Wt α R -β

Geofono (X0;R0)

d PPV = K ( γ * d x ) α

R

Rβ d PPV = K

(γ*dx)α [R02 + (X- X0 )2 ] β/2

XS + H

PPV= K

[∫

XS

γ dx [R02 + (X- X0

)2] β/2α

]

α

49

Modelo de Campo Cercano Holmberg y Persson Para β= 2*α; esta ecuacion puede ser integrada, quedando como:

[

[

(

) + arctan (X0 – Xs ) ] ]

α

PPV= K (γ/R0) arctan H + Xs- X0

R0

R0

Log (PPV) = Log (K) + α Log [ (γ/R0) [arctan (H + Xs- X0) + arctan (X0 – Xs ) ] R0

R0

50

]

Construcción de Modelos de Campo Cercano

Modelo de Campo Cercano sin Pre- Corte

Modelo de Campo Cercano con Pre- Corte 51

Modelo de Campo Cercano – Sin Precorte

[

[

(

) + arctan (X0-Xs) ] ]

PPV= 576* (γ/R0) arctan H+Xs-X0 R0

R0

1,016

52

Modelo de Campo Cercano – Con Precorte

[

[

(

) + arctan (X0-Xs) ] ]

PPV= 315* (γ/R0) arctan H+Xs-X0 R0

R0

1,244

53

Comparación de Modelos con y sin precorte

Delante del PC: PPV= 576* X 50 m ; 448 Kg.

1,016

PPV = 99 mm/s

Detrás del PC: 50 m ; 448 Kg.

PPV= 315* X

1,244

PPV = 37 mm/s

54

5.5 m

6.0 m

7.0 m

8.7 m

Teóricamente el daño no debería sobrepasar esta línea de diseño.

70 º Precorte

Buffer

Considerando el PPVmax = 296 mm/s Taladros

Distancia

Precorte

5,5 m

Buffer

11,5 m

Produccion 1 Produccion 2

Carga Actual / Retardo

Produccion 1

Produccion 2

Según Modelo de Campo Cercano

Máxima Carga Calculada / Retardo 50 Kg.

PPV: segú según Modelos de CC

Conclusiones

1110 mm/s

Mantener la carga de 46 Kg./taladro y disparar tiro a tiro con 17 ms.

120 Kg.

180 Kg.

178 mm/s

Aumentar carga o acercar la Buffer 01 m al Precorte.

18,5 m

448 Kg.

352 Kg.

400 mm/s

Reducir la carga en 01 m.

27,2 m

448 Kg.

731 Kg.

161 mm/s

Si se requiere aumentar la carga

4 * 46 Kg.

55

Procedimiento para Instalaciòn del Geófono Standar








Determinació Determinación de la ubicació ubicación del Geó Geófono; como primera prioridad deben ser ubicados cercanos a la pared del talud, para controlar el dañ daño a estos, tambié también pueden colocarse en la direcció dirección de la patada para medir el máximo VPP del disparo; siempre teniendo en cuenta la seguridad del del Sismó Sismógrafo. Se debe tener en cuenta los siguientes criterios para su ubicació ubicación: La distancia medida debe ser perpendicular al lado má más pró próximo del proyecto de voladura. Los sismó sismógrafos deben ser ubicados a un mí mínimo de 50m. para el control de taludes. Se colocara el sismó sismógrafo a 50m, para el modelamiento de los PPV. La instalació instalación del Geó Geófono en terreno compacto se cava unos 15cm. a 20cm.se coloca el Geó Geófono asentá asentándolo bien en la roca.

56













Colocar el Geó Geófono con la flecha en direcció dirección perpendicular al lado más pró próximo al proyecto de voladura, excepto cuando esta ubicado en la direcció dirección diagonal de la malla, en este caso la flecha debe coincidir con la diagonal; luego compactar y rellenar con material material detritus por los costados, y colocar un peso de aproximado de 5Kg. 5Kg. encima del Geó Geófono (bolsa con arena). Configurar el Sismó Sismógrafo, con los pará parámetros adecuados para la medició medición (nivel de trigger, trigger, má máximo rango, tiempo de grabació grabación, fecha y hora); teniendo en cuenta el nivel de baterí batería y la capacidad de la memoria. Conectar el Geó Geófono al Sismó Sismógrafo, en el puerto adecuado llamado GEO. Encender el sismó sismógrafo e iniciar el monitoreo, de preferencia minutos antes del disparo; para que éste no sea activado por el paso de camionetas u otros equipos.

57

Procedimiento para Instalacion del Geofono Standar





Cubrir el Geó Geófono y sismó sismógrafo con una caja de acero, para evitar que estos sean dañ dañados por la proyecció proyección de rocas del disparo, y señ señalizar el lugar con conos, letreros y/o pintura. Despué Después de realizar el monitoreo, apagar el Sismó Sismógrafo, y descubrir el Geó Geófono teniendo cuidado de que éste sea dañ dañado.

58

Diseño de amarre para protección de Taludes: cuando no es posible realizar precorte

269.6 mm/s

Dirección de la troncal, paralela al talud, a dos filas 203 del contorno. mm/s

VPP= 269.6 mm/s ubicado a 50 m

TALUD

VPP= 203 mm/s ubicado a 50 m 59

La vibración obtenida en dirección del talud es 24.7% menor con respecto a la vibración obtenida en dirección de la patada del disparo.

Diseño de amarre para protección de Taludes: cuando no es posible realizar precorte

129 mm/s

VPP= 129 mm/s ubicado a 50 m.

Amarre con troncal paralelo al talud, a una fila del contorno.

271 mm/s

VPP= 271 mm/s ubicado a 50 m.

La vibración obtenida en dirección del talud es 52.4% menor con respecto a la vibración obtenida en dirección de la patada del disparo. 60

RECOMENDACIONES PARA REDUCIR EL NIVEL DE VIBRACIONES 1.

Minimizar la cantidad de explosivo por tiempo de retardo.

2.

Reducir el diámetro de perforación, secuencia taladro a taladro, etc.

1.

Usar tiempos entre filas y taladros que eviten la superposición de ondas y permitan un buen desplazamiento de la roca.

2.

Usar voladuras de control.

61

FACTORES INVOLUCRADOS EN LOS MODELOS DE VIBRACIONES Factores Considerados:




Peso de la Carga Explosiva. Distancia. Atenuación para cada Tipo de Roca.

Factores No Considerados:






Tamaño de la voladura. Retardos y Secuencia de la Iniciación. Grado de Confinamiento. Tiempo Crítico de Acoplamiento. Intervalo óptimo de retardo específico para cada lugar. 62

VIBRACIONES Y EVALUACIÓN DEL DAÑO (Cont...)

Ejemplo de evaluación del precorte a través del método Sísmica de Cross-Hole Geófonos

Fila de Precorte Fila Amortiguada

Fila de Producción 63

CONCLUSIONES








El monitoreo de vibraciones producto de las voladuras, es una técnica que permite evaluar el rendimiento general del diseño de la voladura. Los valores absolutos obtenidos de los niveles de velocidad de partícula, hace posible la obtención de modelos predictivos confiables, con los cuales se pueden evaluar los diversos parámetros de la voladura. La técnica “Cross_Hole” es una herramienta que permite hacer una buena evaluación del daño al macizo rocoso y a la vez ajustar el “Criterio de Daño” como una función del PPVmáx. 64

CONCLUSIONES





Con el modelo de Devine, calcular la carga maxima a detonar, podemos predecir tamaños de voladura a volar, teniendo el PPV max como restriccion. En zonas criticas, se debe evitar que las ondas se direccionen al talud.

65