caracteristicas y control de las vibraciones producidas por accion de

CARATERISTICAS Y CONTROL DE LAS VIBRACIONES PRODUCIDAS
POR ACCION DE LAS VOLADURAS EN MINAS A CIELO ABIERTO
Germàn Peralta Herrera* Rubén D. Mojica Villamizar*
*Escuela de Ingeniería de Minas, U.P.T.C.
Resumen:
Abstract:
Para la fragmentación de calizas se
hace necesario la utilización de
explosivos los cuales pueden
generar
alteraciones
como
vibraciones,
onda
aérea
y
proyecciones de roca que algunas
circunstancias pueden originar
daños en las estructuras próximas
a los sitios de explotación.
For the limestone fragmentation the
use
becomes
necessary
of
explosives which can generate
alterations like vibrations, air wave
and rock projections that some
circumstances
can
originate
damages in the structures next to
the operation sites. The primary
target of this study is to establish if
the disturbances originated by the
blasts surpass or not the threshold
of damage stipulated by the
effective norms. If the level of
vibrations
registered
outside
smaller
than
the
prevention
criterion, will be able to be
increased the operating load
progressively until the intensities of
vibration were equal to the allowed
maximum value.
El objetivo principal
de este
estudio es establecer si las
perturbaciones originadas por las
voladuras superan o no el umbral
de daño estipulado por las normas
vigentes. Si el nivel de vibraciones
registrado fuera menor que el
criterio de prevención, podrá
incrementarse progresivamente la
carga operante hasta que las
intensidades de vibración fueran
iguales al valor máximo permitido.
Palabras claves: Vibracion,
voladura.
1. INTRODUCCIÓN
La intensidad de las vibraciones
terrestres y onda aérea en un punto
determinado y que pueden causar
algún tipo de molestias en las
viviendas más cercanas al punto de
la voladura, varía de acuerdo a la
carga del explosivo que es
detonado y a la distancia de dicho
punto al lugar de la voladura.
Key Words :
En voladuras donde se utiliza mas
de un detonador, es la carga
máxima por retardo la que influye
directamente en la intensidad de las
vibraciones y no la carga total
empleada en la voladura, siempre
que el intervalo de retardo sea lo
suficientemente grande para que no
exista interferencias constructivas
entre las sondas generadoras por
los distintos grupos de barrenos.
2. CARACTERÍSTICAS DE
LAS VIBRACIONES
La simple caída de un objeto sobre
la tierra, hasta la detonación de un
explosivo
enterrado,
o
un
deslizamiento súbito a lo largo de
una falla geológica en profundidad
causando un sismo, son eventos
qué se transmiten a través de los
suelos o rocas.
Estos movimientos de propagación
ondulatoria se dan a través de
terrenos con una velocidad de
propagación dada y que dependen
de cada tipo de macizo, el cual se
vera afectado por las tensiones
dinámicas que la onda transporta.
Estas últimas dependen de los
desplazamientos
oscilatorios,
respecto a su posición de reposo,
que sufren las partículas del terreno
a medida que una perturbación se
propaga denominándose velocidad
vibratoria.
Tipos de Ondas
Las principales ondas que se
propagan por la corteza terrestre
incluyen dos clases, las de tipo
volumétrico y las de tipo superficial,
a saber (Kolsky, 1963):
del radio de la onda, siendo
análogas a las ondas sonoras.
Ondas S. Transversales o de
corte: con vibración de la
partícula perpendicular al radio
de la onda, teniendo una
velocidad inferior a las de las
ondas P y no se propaga en
medios fluidos.
Ondas R, o de Rayleigh: se
propaga a lo largo de la
superficie de la tierra con
amplitudes
que
disminuyen
exponencialmente
con
la
profundidad, transportando la
mayor parte de la energía
sísmica (semejantes a las ondas
que se crean cuando cae un
objeto sobre la superficie de un
lago).
Ondas L, o de Love: resultante
del movimiento plano horizontal
de las partículas, sin presentar
componente vertical. Kramer
(1966) dice qué las tres
principales características de las
vibraciones son: su amplitud
expresada
en
formas
de
desplazamientos, velocidades o
aceleraciones y su frecuencia de
duración.
V
V = Ondas Rayleight
L
L = Ondas Longitudinales
T = Ondas Transversales
T
Figura 1. Ondas permisibles por
voladura.
Ondas P. Longitudinales o de
compresión: son aquellas que
provocan la vibración de las
partículas en la misma dirección
Figura 2. Las tres componentes de
vibración en el interior del macizo al
ser sometido a detonaciones de una
carga explosiva.
Diversos autores indican que hay
una relación directa entre la
velocidad máxima de vibración y los
daños de estructuras, en función de
altas tensiones dinámicas que
pueden alcanzar. También se dice
que las estructuras formadas por
materiales de mayor impedancia
sufren mas daños que otros de baja
impedancia (madera, por ejemplo),
cuando están sujetas a las mismas
velocidades de vibración.
Los análisis de las vibraciones
también pueden ser cuantificados
en función de la velocidad vibratoria
a pesar de haber algunos criterios
establecidos en función de la
aceleración.
En términos de reacción humana
admítase un limite de precaución en
la velocidad vibratoria a 0.3
mm/seg, bien inferior a los valores
que provocan daños en los edificios.
Las componentes del movimiento
vibratorio a lo largo de todas las
direcciones en el espacio son
importantes, en la medida que los
problemas reales se tienen que
procesar a escala tridimensional.
Generación de las vibraciones.
La liberación súbita de cualquier
forma de energía en el terreno
desencadena la propagación (en
todas las direcciones), de ondas
volumétricas y superficiales que
actúan sobre personas y estructuras
próximas
con
amplitudes
de
vibración que dependen de varios
factores así:
a. Cantidad de energía liberada por
el fenómeno que la ocasiona.
b. Distancia entre el origen y el
punto donde se registran los
eventos.
c. Resistencia dinámica de las
estructuras y sus componentes
más frágiles.
d. Propiedades
trasmisoras
o
disipadoras de los terrenos
involucrados.
La complejidad de los fenómenos es
elevada referente a las ondas
generadas al clavar una estaca en
el terreno. Es importante conocer
que la intensidad de las vibraciones
originadas por esta operación, así
como otras similares varíen con
ciertas propiedades del equipo,
normalmente de las características
del
martillo
o
vibrador,
la
deformación de la encabeza de la
estaca, o distorsión elástica de la
estaca y de la velocidad de
penetración en el terreno.
Así mismo la detonación de un
explosivo en el interior del macizo
rocoso se caracteriza esencialmente
por la generación de ondas de
tensión
y
compresión
como
resultado de la refracción de ondas
de choque provenientes de la
detonación del explosivo sobre las
paredes de la cavidad donde este
fue instalado.
Si la forma geométrica de la carga
explosiva es cilíndrica, como es
frecuente, el sistema geométrico de
los frentes de onda estará
constituido por una onda cónica que
se
propaga
por
el
terreno
circundante, reflectándose en una
superficie
libre
ocasionando
rupturas sobre la roca mas próxima.
1. Cavidad del explosivo
2. Zona de transicion
2a. Zona hidrodinamica
2a
1
2b
2c
2b. Zona plastica
2c. Zona fragmentada
2d. Zona fracturada
3. Zona sismica o elastica
2d
3
Figura 3. Zonas del contorno de una
detonación explosiva.
La zona fracturada que rodea la
carga (2a -2d), los efectos de la
detonación genera una forma de
vibraciones
asociada
a
una
propagación ondulatoria, la cual se
atenúa con la distancia según los
distintos regimenes cuando se trata
de cargas explosivas esféricas o
cilíndricas.
los parámetros medidos
dominio de la frecuencia.
Medición de las vibraciones
La fase mas critica del tratamiento
de vibraciones consiste en su
control,
cuando
ss
efectos
resultantes lo exigen.
Los registros de vibraciones se
hacen a partir de modernos
geofonos
piezoeléctricos
triortogonales, recomendándose un
nivel de vibración típico de las
situaciones de referencia, para un
acoplamiento de rutina en la
monitorización de obras.
Actualmente,
se
implementan
sistemas de registro en obras que
se encuentran interconectadas a
computadores.
3.
CONTROL
VIBRACIONES
DE
en
el
LAS
Figura 5. Daño por sobrecarga
Para definir márgenes de seguridad
para las estructuras que soporten
vibraciones, existen numerosas
normas y criterios en varios países,
cuya función consisten establecer
límites admisibles para la amplitud
de las vibraciones.
Metodología del monitoreo.
a. Sitio del muestreo, este es
determinado por la cercanía e
influencia por acción de las
voladuras.
Figura 4. Registro de contorno de
una detonación explosiva.
El procesamiento de los registros
obtenidos, se realiza por medio de
programas que se adaptan a los
datos obtenidos con los equipos
según sus requerimientos y los
parámetros captados por estos, los
cuales son el resultado de las
transformaciones de Fourier en
mayor grado, cuya función realizada
en este tipo de trabajos es estudiar
Figura 6. Vista de la mina en
estudio.
b. Situación
geográfica,
se
establece
la
localización
geográfica del área de voladura
con respecto a zonas habitadas
o su cercanía a veredas
o
ciudades contiguas.
N=1140000
3
Los
datos
de
observación
demuestran que, a una cierta
distancia
de
la
fuente
de
vibraciones, o movimiento del
terreno posee un pequeño intervalo
de frecuencias, que es debido al
efecto de filtración del propio
terreno.
4
MINA
SAN ANTONIO
DUITAMA
14665
AREA = 10036417.4540
2
N=1135000
1
BELENCITO
VIA
REA
VIA FER
RR
FE
CHAMEZA
EA
NOBSA
N=1130000
CIPAL
VIA PRIN
TIBASOSA
N=1125000
E=1135000
E=1130000
E=1125000
E=1120000
E=1115000
SOGAMOSO
Figura 7. Localización geográfica
del área en estudio.
Figura 9. Ubicación del equipo
de monitoreo.
c. Equipos utilizados. Minimote
Plus, el cual consta de un
geofono triaxial para captar las
vibraciones terrestres y un
sonómetro para captar la onda
aérea, los cuales deben contar
con certificados de calibración.
La frecuencia de los movimientos
sísmicos también influyen en los
límites de percepción humana,
siendo habitual que: cuando mayor
sea la frecuencia, más baja será la
amplitud.
El criterio de prevención mas
exigente en lo que respecta a
normativas internacionales para
control de vibraciones, es la norma
alemana DIN 4150, con una
velocidad máxima de la partícula de
3
mm/s,
para
viviendas
particularmente delicadas.
Figura 8. Geofono triaxial.
FUNDACIONES
La mayoría de criterios de daños
tienen en cuenta la frecuencia
característica de las vibraciones.
Esta circunstancia de debe a la
prevención de efectos en edificios
que se atribuyen a vibraciones con
frecuencias próximas a la frecuencia
natural
de este denominado
fenómeno de resonancia.
TIPODE
ESTRUCTURA
FRECUENCIASPRINCIPALES(Hz)
50 a 100
PISOS MAS ALTOS
DE EDIFICIOS
Cualquier
frecuencia
<10
10 a 50
Industriales
20 mm/s
20-40 mm/s
40-50 mm/s
40 mm/s
Habitacionales
Edificios
particularmente
delicados
5 mm/s
5-15 mm/s
15-20 mm/s
15 mm/s
3 mm/s
3-8 mm/s
8-10 mm/s
8 mm/s
Figura 10. Valores admitidos por
la norma alemana DIN 4150.
Vereda de Tocogua cercana a la
Mina San Antonio
Velocidad mm/s
Para la zona de Duitama y sus
alrededores el INGEOMINAS a
través de estudios anteriores
aconseja un valor de aceleración
máxima de la partícula de 2.5 mm/s,
mucho más exigente que el que
presenta
las
normas
internacionales.
12
Voladura
10
Norma
USBM
8
Norma DIN
4150
6
4
2
0
Transversal
Vertical
Longitudinal
COMPONENTE SISMICA
4. ANALISIS DE VIBRACIONES
MINA SAN ANTONIO
Figura 11.
Resultados
vibración por voladura.
El objetivo del estudio es establecer
si las perturbaciones originadas por
las voladuras superan o no el
umbral de daño estipulado por las
normas vigentes
5. CONCLUSIONES
Para la empresa la carga operante
no debe superar los 120 kg/retardo,
pero por la longitud del los barrenos
para esta
voladura
no fue
considerada esta variable.
DIAMETRO
No.
LONGITUD DE
DE
BARRENOS
LOS BARRENOS
BARRENOS
POR
(m)
(mm)
RETARDO
13,5
152,4
1
CARGA
OPERANTE
(kg)
148,291
Cuadro 1. Características del
diseño de voladura.
A pesar de que el valor de la carga
operante supero el valor limite, el
nivel de vibraciones registrado esta
por debajo de los umbrales de daño
estipulados por las normas, lo que
quiere decir que las viviendas más
cercanas al sitio de la voladura no
pueden
ser
afectadas
estructuralmente esto es clave para
la optimización de las voladuras ya
que
es
fundamental
en
la
disminución de daños a las
estructuras próximas y además se
eliminas los posibles conflictos con
los habitantes de la comunidad de la
de
La realización de monitoreos
constantes en un frente de
explotación
durante
las
voladuras permiten analizar la
velocidad de la partícula como
de onda aérea las cuales
reconocen la posibilidad que se
este por encima o por debajo de
los
umbrales
de
daño
estipulados en las normas
6. REFERENCIAS
Peralta H. Germàn, Optimización en
el diseño de voladura a cielo
abierto para la mina de caliza
“San Antonio” Cementos Argos,
planta “CPR”.
INSTITUTO
TECNOLÓGICO
GEOMINERO DE ESPAÑA (ITGE).
Manual de perforación y voladura de
rocas, Madrid, España. 1ª Edición.
1987. 541 Pág.
INSTITUTO
TECNOLOGICO
GEOMINERO DE ESPAÑA. Manual
de restauración de terrenos y
evaluación de impactos ambientales
en Minería. 2ª Edición, Madrid,
España 1989. 333 Pág.