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INGENIERIAEN MINAS

Vibraciones Producto de Tronadura

Profesor: Rodrigo J. Gonzalez C. Asignatura: Diseño de Tronadura 2019

Introducción Uno de los inconvenientes más importantes que actualmente, enfrentan las operaciones de tronadura, es el tema de las “vibraciones”, las cuales, en algunas circunstancias, generan grandes daños estructurales a los establecimientos mineros mismos y/o causan molestias a lugares poblados cercanos. Este problema se puede evitar aplilcando una adecuada campaña de monitoreo y correlacionando las vibraciones medidas con el daño causado.

Vibraciones Producto de Tronaduras El estudio de las vibraciones causadas por las tronaduras, es una técnica que provee múltiples ventajas en términos de poder examinar en detalle el proceso de la tronadura. Vibración: oscilación de las partículas en torno a su posición de equilibrio. Vibración = Esfuerzo que Induce Fracturamiento Dentro de la Tronadura se produce fragmentación. Fuera de la tronadura produce daño.

Vibraciones Producto de Tronaduras Si se miden las vibraciones producidas por una tronadura en puntos cercanos a ella, se puede estimar la probabilidad de daño que este punto pueda sufrir. Además se puede relacionar esta vibración con las variables que intervienen en la tronadura, pudiéndose utilizar para predecir las vibraciones producidas por tronaduras futuras. Conjuntamente se puede utilizar el monitoreo de las vibraciones como una herramienta de diagnóstico, para determinar el grado de interacción entre las variables de la tronadura.

De un análisis del registro de vibraciones, es posible determinar entre otros, lo siguiente: cargas detonando en una secuencia de encendido dada, dispersión de los tiempos de encendido de los retardos, detonación deficiente de cargas, detonaciones instantáneas, detonación de cargas adyacentes por simpatía y desplazamiento de las partículas de roca.

Vibraciones Producto de Tronaduras

¿ Qué es daño inducido por Vibraciones de Tronaduras ? Es un cambio en la textura del macizo rocoso: • Número de Fracturas. • Condición de Fracturas ( Largo, Abertura, Relleno ).

¿ Como se Mide el Daño ? Cuando se desea medir eventos de características transcendentes, se deben considerar tres puntos: • • •

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

La onda de choque generada por la detonación de cargas explosivas crea tensiones que producen el fracturamiento de la roca. Esta además se propaga en forma esférica ( en todos los sentidos ), y transfiere una energía vibracional al macizo rocoso que es trasmitida por una combinación de mecanismos, la que se representa fundamentalmente a través de:

• • • •

Onda Primaria (P) Onda Secundaria (S) Onda Rayleigh (R) Onda Love (Q)

¿ Como se Mide el Daño ? Componentes de la Vibración del Terreno.

•

Desplazamiento : La distancia que las partículas se mueven hacia delante y atrás en un movimiento de vaivén, medido en fracciones de milímetros.

•

Velocidad : La velocidad a la cual las partículas se mueven hacia delante y atrás. La velocidad máxima a la cual las partículas se mueven se conoce como la Velocidad Máxima de la Partícula (PPV) y se usa para determinar la posibilidad de daño. La velocidad máxima de las partículas generalmente se registra en milímetros por segundo (mmps). Cargas con exceso de confinamiento pueden aumentar la velocidad de las partículas.

•

Frecuencia: El número de veces que una partícula se desplaza hacia delante y hacia atrás en un segundo. El movimiento hacia delante y atrás se llama una oscilación o ciclo. El número de oscilaciones que sufre una partícula cuando es sometida a una onda de vibración y es medida en ciclos por segundo o Hertz (Hz).

Distribución de Energía en el Macizo Rocoso.

Campo Cercano y Campo Lejano Los efectos perjudiciales de la tronadura (producidos por vibraciones) se clasifican como efectos cercanos y lejanos. • Los efectos cercanos se refieren al resultado de la energía vibracional que fractura y daña la pared del banco cercano a la tronadura, produciendo condiciones inestables, lo cual es particularmente perjudicial cuando la pared del pit está siendo formada y/o cuando existe algún tipo de falla importante. • Los efectos lejanos producen ondas aéreas, que pueden dañar centros habitacionales y/o a instalaciones y bienes de la mina, por ejemplo: medios de transporte(caminos, correas), chancadores,etc.

Modelo de Campo Cercano Ecuación General de Comportamiento Vibracional

𝑃𝑃𝑉 = 𝑓 𝐷, 𝑊 𝑃𝑃𝑉 = 𝑘 ∗𝐷 −𝛼 ∗𝑊 𝛽 D h 5 h) (Ref: McKenzie)

(D > 3 h)

Modelo de Campo Cercano Ecuación General de Comportamiento Vibracional

𝑃𝑃𝑉 = 𝑘 ∗

D W

−𝛼

La ecuación convencional de Campo Lejano (CL)no puede utilizarse en Campo Cercano (CC) debido a que sobreestima los valores de PPV

h~D

D h

Campo Cercano (Ref: McKenzie)

(D < 5 h ) (D < 3 h )

Generación y Propagación de las Vibraciones Una vez ocurrida la detonación del barreno, el frente de choque inicial aplica fuerza a la roca fuera de la zona de trituración de ésta, comprimiéndola y reduciendo su volumen. Cuando esta onda se mueve a través de la roca con una fuerza que está bajo su límite elástico, causa movimientos en las partículas, similares a las que produce el sonido cuando se transmite a través de un fluido o unsólido.

• • • •

Onda Primaria (P) Onda Secundaria (S) Onda Rayleigh (R) Onda Love (Q)

Generación y Propagación de las Vibraciones •

•

•

Las partículas que están en la trayectoria de dichas ondas, se mueven hacia delante y hacia atrás, a lo largo de la línea de avance de la onda que origina tales movimientos, la cual se denomina Longitudinal, Compresional u Onda Primaria y es designada por la letra P. El término primario se origina en que esta onda tiene una gran velocidad de propagación y por ende, es la primera en llegar al punto de medición. Al momento que se genera la onda P, se produce un segundo tipo de onda que corta o tiende a cambiar la forma del material transmisor y genera movimientos en las partículas perpendiculares al frente de choque, acentuadas por el pulso de presión inicial; por la duración de la onda P o por discontinuidades del macizo rocoso. A este tipo de onda se le denomina de Onda S, de Corte, Forma o Secundaria. Cuando las ondas de cuerpo alcanzan la superficie de la tierra, ésta experimenta movimientos verticales y horizontales. Las ondas así producidas son denominadas “elásticas de superficie” y también como ondas Rayleigh y Love. La onda Rayleigh, predecida matemáticamente por Lord Rayleigh, imprime un movimiento en trayectoria elíptica contraria a la de propagación de avance de la onda. La onda Love (onda-Q) más rápida que la Rayleigh, da lugar a un movimiento transversal, relativo a la dirección de avance de la onda.

ONDAS DE CUERPO

ONDAS DE CUERPO

ONDAS DE SUPERFICIE

ONDAS DE SUPERFICIE

Modelos Empíricos Tradicionales Experimentalmente se han establecido modelos o ecuaciones generales de comportamiento (leyes de vibración), que representan la velocidad de partículas en función de un determinado explosivo y de la distancia entre la tronadura y el lugar de interés.Acontinuación algunos modelos más utilizados. MODELO GENERAL Donde: V= Velocidad de Partícula(mm/s). D= Distanciaescalar. K= Factor de Velocidad. α= Factor deDecaimiento. El término “D” o distancia escalar, indica la influencia de distancia en (m) y la cantidad de explosivo en (kg.).

Modelos Empíricos Tradicionales Respecto a esta formulación matemática existen varios criterios de los cuales se puede distinguir los siguientes: •

En las expresiones, “W” corresponde a la carga detonada en forma simultánea en kilogramos y “d” la distancia a la cual se cuantifica la velocidad de partícula.

•

Teóricamente, el criterio que mejor representa el comportamiento de vibraciones generadas por tipo de cargas explosivas, en tronaduras a rajo abierto, es el de DEVINE.

𝑃𝑃𝑉 = 𝑘 ∗

D W^1/ 2

−𝛼

INFLUENCIADE LAS VIBRACIONES EN EL CAMPO CERCANO

L a Vo l a d u r a I n d u c e Fracturamiento L a D e f o r m a c ió n y l a V ib r a c i ó n están relacionadas D e f o r m a c ió n ,

ε

PPV =

Vp

=

σ E

T

Altos niveles de vibración dañan mayormente la masa rocosa, iniciando fracturas frescas o extendiendo y dilatando las existentes. En este contexto la vibración se puede considerar como una deformación o esfuerzo en la masa rocosa. A menores niveles de vibración y distancias relativamente más extensas, los grados de deformación son bajos. Por el contrario a distancias más próximas, los niveles de esfuerzo son suficientes para extender fracturas existentes, pero insuficientes para inducir fracturas frescas. Muy cerca de los pozos, los niveles de vibración serán necesariamente altos como para inducir fracturamiento en las rocas de los alrededores

INFLUENCIA DE LAS VIBRACIONES EN EL CAMPO CERCANO (CC) •

De la ley de Hooke, y asumiendo un fallamiento frágil de la roca, la velocidad de partícula crítica, PPV critica, que puede resistir la roca antes que ocurra el fallamiento por tensión, se puede calcular conociendo la resistencia a la tensión σt, el módulo de Young E, y la velocidad de propagación de la onda P, Vp,

•

Holmberg & Persson (1979) estimaron una PPV para rocas ígneas duras entre 700 y 1000 mm/s. Aunque dichos niveles de vibración se consideraron indicadores confiables de daño incipiente, fácilmente observables, ocurren a valores 4 veces que para un daño incipiente.

L a Voladura induce Fracturamiento TIPO DE ROCA

Res is t enc i a a la T r ac c i ó n [MPa]

Cuarzo-1 Brecha-1 Milonita Ox-1 Ox-2 Cuarzo-2 Brecha-2 Andesita-1 Diorita Brecha-3 Pórfido-1 Pórfido-2

14.0 7.3 1.9 6.7 7.2 8.4 3.9 14.9 13.2 11.3 6.7 5.1

Vel oc i d a d de Onda P [m/s]

5 4 2 4 4 4 4 4 4 4 3 3

102 298 940 373 804 207 041 975 650 650 829 661

Módulo de Young

V el oc i d a d d e Par t í c u l a Crítica P P V c

[ GPa]

[mm/s]

55.5 30.2 14.6 35.2 44.4 42.7 39.3 67.3 48.6 58.3 31.2 46.6

1 286 1 037 380 836 774 823 401 1 100 1 260 900 823 401

Comparación modelos Devine y Holmberg & Persson •

El modelo cercano propuesto por Holmberg & Persson, considera la carga explosiva en forma distribuida, cobrando especial importancia los aspectos geométricos, de distancia a la carga, longitud, largo del taco, densidad lineal del explosivo, etc., a diferencia del modelamiento tradicional propuesto por Devine que utiliza una sola distancia para el total de la carga explosiva, es decir concentrada en un punto, consideración válida para distancias de más de 2 ó 3 veces la longitud de la carga explosiva.

•

En el gráfico se observa la diferencia entre ambos modelos, especialmente en la zona más cercana a la carga, donde se aprecia como el modelo de Devine sobreestima la velocidad de partícula.

Holberg & Persson •

La ecuación para predecir vibraciones en campo cercano, como se muestra en la ecuación, fue desarrollada por Holberg & Persson (1979) en los términos explicados en la figura.

•

La figura indica que el factor de mayor impacto en la vibración peak y en el daño, no es el peso de la carga por retardo, sino que más bien la carga lineal γ (kg/m), controlada por una combinación de diámetro del pozo y densidad decarga.

Criterio de Daño por Vibraciones (CL) VIBRACIÓN LÍMITE PARA PREVENIR DAÑO NORMAS DIN 4150 : 1999

Vibración Máxima [mm/s]

100

Grupo I 20 mm /s

Grupo II

10

5 mm/ s

Grupo III

3 mm/s

10 Hz

1 1

50 Hz 100

10

Frecuencia de la Vibración [Hz] Línea 1

Línea 2

Línea 3

Criterio de Daño por Vibraciones (CL)

INSTRUMENTACION PARA MONITOREODE VIBRACIONES La instrumentación que se utiliza para medir vibraciones de roca, inducidas por tronadura, se compone de los siguientes elementos: Transductores : Geófonos o Acelerómetros, que se instalan en forma solidaria a la roca. Sistema de cables: Encargados de llevar la señal captada por los transductores al equipo de monitoreo. Un equipo de adquisición: Para recibir la señal y guardarla enmemoria Un computador : Con el correspondiente software incorporado que se requiere para traspasar información desde el equipo monitor , además para su posterioranálisis

Geófonos Los geófonos entregan una medición directa de la velocidad y consisten por lo general en un sistema de bobina móvil soportada por resorte, y un imánfijo.

Técnicas de Medición La cantidad de información utilizable de cada registro de vibraciones depende de la ubicación y orientación de los transductores. Un transductor instalado próximo ( 50 mts. ) A una columna de explosivo, ve la detonación como una fuente en movimiento debido a la descomposición de la columna en múltiples elementos que detonan en un tiempo finito. La forma de la onda recibida es función de lo siguiente: • • • • •

Propiedades y cantidad de explosivo. Configuración geométrica de la fuente y detector.. Orientación del detector. Propiedades del transductor. Propiedades de la roca.

Análisis de los Registros de Vibraciones La señal de vibraciones producida por una tronadura, consiste en un numero discreto de paquetes de ondas, en donde cada uno de éstos corresponden a cargas o grupos de cargas detonando en un determinado tiempo. El primer paso en el análisis de la señal, es determinar que carga representa cada paquete de vibración. De la capacidad para realizar esto depende determinar la diferencia entre la detonación real y la secuencia diseñada, suministrando un irremplazable conocimiento de la eficiencia del diseño de tronadura. La forma y amplitud de un paquete de vibración, da la efectividad relativa de la detonación de las cargas en una tronadura. La amplitud relativa puede ser usada como una medición de la eficiencia de la carga.

Con el software de análisis de los registros de vibraciones, es posible determinar y calcular lo siguiente: tiempo real de detonación de una o varias cargas, velocidad de partículas de cada paquete de ondas, detonación de cargas con baja eficiencia o no detonadas, detonación instantánea de cargas, detonación de cargas por simpatía, calculo del registro de aceleración de partículas, calculo del desplazamiento de las partículas de roca, etc.

Análisis de los Registros de Vibraciones

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

Factores No Considerados. Tamaño de la Tronadura. Retardos y Secuencia de la Iniciación. Grado de Confinamiento. Tiempo Crítico de Acoplamiento.

Instantel MinimatePro6

Como se efectúan las mediciones? Tronadura

Sismogramas

Transductor (geófonos y sismógrafos )

La medición de vibraciones tiene como objetivo principal detectar y registrar el movimiento vibratorio de la tierra. Estas medidas deben describir de la mejor forma el evento “vibraciones”, para lo cual se requiere medir tres componentes ortogonales que definan: amplitud, velocidad y aceleración de la partícula, en función del tiempo t. A continuación, se describe cada una de estas componentes: • • •

LONGITUDINAL: Normal a la dirección de la tronadura en el plano Horizontal. TRANSVERSAL: Perpendicular a la dirección de la tronadura en el plano Horizontal. VERTICAL : Perpendicular a la dirección de la tronadura en el plano vertical.

Los transductores son comúnmente instalados en un arreglo triaxial, y la señal de cada uno es recolectada separadamente. las señales de salidas de los transductores son grabadas como una señal análoga o convertidasen señal digital y grabadas.

Equipo Instantel

Equipo Blastronics

Equipo Texcel

Equipo Vibracord

Instantel MinimatePro6

Pantalla de Acceso a Equipode Monitoreo

INSTANTEL

Aplicación Mina Los Bronces Fase5 Sur

Prueba Especial