monitoreo de vibraciones causadas por voladuras en taludes

REFI UPN.2014; 2(2): 53-61
Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
MONITOREO DE VIBRACIONES CAUSADAS POR VOLADURAS EN
TALUDES
Monitoring of vibrations caused by blasting in slopes
1
Christa Quiroz-Cotrina
1
Universidad Privada del Norte, Perú
Recibido may. 2014; aceptado jul. 2014; versión final nov. 2014.
Correo de correspondencia: [email protected].
Resumen
La energía explosiva liberada al detonar los explosivos genera diversos efectos como fragmentar,
fracturar y deformar el material dentro del cual el explosivo es detonado; sin embargo, existen también
efectos secundarios: proyecciones de roca, formación de nubes de polvo, ondas aéreas, ruido y formación
de vibraciones sísmicas. Este trabajo describe tres métodos utilizados en minería superficial para
monitorear vibraciones causadas por voladura, a fin de establecer cuidados y controles según el tipo de
suelo.
Palabras Clave: explosivos, proyecciones de roca, monitoreo.
Abstract
Explosive energy released by detonating explosives generates different effects such as fragmentation,
fracture and deformation of the material in which the explosive is detonated; however, there are side
effects: projections of rock, dust cloud formation, air waves, formation of seismic noise and vibration. This
study describes three methods used in surface mining to monitor vibrations caused by blasting, in order to
establish care and controls according to the soil type.
Keywords: explosives, flyrock, monitoring.
53
REFI UPN.2014; 2(2): 53-61
Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
I. INTRODUCCIÓN
Las vibraciones que originan las voladuras de roca representan uno de los problemas
más importantes que enfrentan hoy en día las operaciones mineras y las áreas
pobladas próximas a éstas; por ello el efecto de las voladuras en operaciones mineras
es un tema que ha sido abordado en estudios previos (Chakraborty et al., 1994; Raina
et al., 2008; Sharma, 2010; Shrimali et al., 2014).
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 estos efectos se debe emplear una
técnica de voladura controlada, de manera tal de minimizar los efectos sobre el macizo
rocoso. El control de las vibraciones hoy en día es un importante factor a considerar
cuando se requiere que los taludes sean más estables y el resultado de la voladura
sea el esperado.
Los objetivos de esta investigación son: a) conocer los métodos de monitoreo
empleados en minería a tajo abierto y los resultados obtenidos en algunos casos
modelo; b) determinar la efectividad del cross-hole en el monitoreo de vibraciones.
II. MATERIALES Y MÉTODO
Se realizó un estudio descriptivo de los tres métodos más frecuentes de monitoreo de
vibraciones utilizados en minería superficial durante los últimos 20 años. Se empleó un
muestreo no probabilístico discrecional.
En cuanto a los instrumentos de recolección de datos se usaron observaciones de
campo y revisión documental. En lo que se refiere a las técnicas de procesamiento y
análisis, se realizó un registro de fotografías, así como la recopilación y descripción de
cuadros de resultados de las pruebas realizadas.
Equipos para el monitoreo de vibraciones
Para realizar el monitoreo se utilizaron equipos especializados los cuales constan de
los siguientes componentes:
54
REFI UPN.2014; 2(2): 53-61

Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
Transductores (geófonos) instalados en el interior o en la superficie del macizo
rocoso.

Sistemas de cables (paralelos) llevan la señal captada desde el geófono al
equipo de adquisición, el cual recibe y almacena la señal.

Computadora que tiene el software necesario para el análisis de la información.
Importancia de la medición de las vibraciones
1. Medir las vibraciones producidas por una voladura ayuda a estimar la
probabilidad de daño que el macizo rocoso puede sufrir.
2. El monitoreo ayuda a determinar la velocidad crítica en cada uno de los
materiales del terreno para conocer los límites máximos permisibles de
vibración sin causar daño al macizo rocoso remanente.
3. Se puede utilizar el monitoreo de las vibraciones como una herramienta de
diagnóstico, para determinar el grado de interacción entre las variables de la
voladura así como predecir las vibraciones producidas por voladuras futuras.
III. RESULTADOS
A continuación se detalla los principales hallazgos del estudio.
-
Geología local y características de las rocas: En los macizos rocosos
homogéneos y masivos las vibraciones se propagan en todas direcciones;
mientras que en estructuras geológicas complejas, la propagación de ondas
puede variar con la dirección y presentar diferentes tipos de atenuación y
formas de propagación.
-
Cantidad de explosivo: Es el factor más importante que afecta a la generación
de vibraciones, a mayor carga explosiva, mayor magnitud de vibraciones.
-
Distancia al punto de voladura: Conforme aumenta la distancia, la intensidad
de las vibraciones disminuye.
Casos aplicativos
Primer caso: Medición de onda p (cross hole):
a. Objetivos:

Medir la velocidad de la onda p por tipo de roca.
55
REFI UPN.2014; 2(2): 53-61

Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
Calcular el producto por voladura (PPV) crítico, considerando la resistencia a la
tracción y el módulo de Young.
b. Instrumentación y materiales

Geófono uniaxial o triaxial de campo cercano, 2 por tipo de roca (resistencia:
78 Ohm, frecuencia 14 Hz y resistividad 0.0016113 v/mm/s).

Equipo Instantell, 4 canales u 8 canales, con software Blastware.

Caja de conexión y tubo de PVC 3 pulg. y pegamento.

Carga explosiva (fuente sísmica) y concreto.
c. Método cross hole
Para el método de cross hole se usó la prueba de cruz: los pozos de instalación de
geófonos tuvieron diámetro 6’’ con una longitud de 11m (ver Figura 1).
Figura 1. Secuencia de instalación de los pozos
* Taladros en rojo: Taladros a detonar.
* Taladros en azul: Geófonos empotrados.
Fórmula a utilizar:
Donde:
56
REFI UPN.2014; 2(2): 53-61
Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
Los modelos creados con las pruebas anteriores permitieron crear ábacos de daño
donde que indican cuántos kilos de explosivo se puede detonar en un mismo instante
cerca de una pared para no generar daño por voladuras.
d. Resumen de onda P – Roca andesita (ver Tabla 1).
Tabla 1. Datos del geófono y la onda p
Geófono
Tiempo
Distancia
Onda p (m/s)
Long. 1
0.00367 seg.
10 m
2724.8
Long. 2
0.00390 seg.
10 m
2564.1
Long. 3
0.00403 seg.
10 m
2581.4
Long. 4
0.00354 seg.
10 m
2824.9
e. 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.
3. Usar tiempos entre filas y taladros que eviten la superposición de ondas y
permitan un buen desplazamiento de la roca.
4. Usar voladuras de control.
Segundo caso: Reportes rutinarios de voladuras electrónicas con sismógrafo
Previo a la voladura, se colocaron 2 sismógrafos con sus respectivos geófonos en dos
zonas estratégicas del tajo de modo que se pudiera llevar un registro de las
vibraciones causadas por la voladura.
Características:
Tipo de iniciación: Electrónica
Tipo de malla: Producción
Cargío: Noche / Día
Antecedentes generales:
Horario de la voladura: Se programó la voladura a las 16:00 p.m. Los niveles 3336 y
3348N se ejecutaron a las 02:50 p.m. y el nivel 3348S a las 3:09 p.m.
Secuencia de detonación electrónica:
3336 disparo electrónico: Tiempo / taladros = 14 ms
Tiempo / fila de producción= 180 ms.
57
REFI UPN.2014; 2(2): 53-61
Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
3348N/3348 S electrónico: Tiempo / taladros = 7 ms
Tiempo / fila de producción= 180 ms
Esponjamiento y fragmentación
3336 Se observó un esponjamiento y fragmentación muy bueno post voladura.
3348/3348N Se observó buenos niveles de esponjamiento y fragmentación.
Presencia de humos
Disparo 3336 electrónico, no se generó humos naranjas en cuatro taladros (1.9%).
Disparo 3348N electrónico, no se generó humos naranjas en el disparo (0%).
Disparo 3348S electrónico, se generó humos naranjas en tres taladros (2.97%).
Generalidades
Disparo 3336 electrónico, con 211 taladros detonados en las mallas: 025, 601, 602.
Disparo 3348N electrónico, con 104 taladros detonados en las mallas: 604, 611, 621.
Disparo 3348S electrónico, con 101 taladros detonados en las mallas: 058, 619.
Figura 2. Las cuatro etapas del proceso de la voladura
58
REFI UPN.2014; 2(2): 53-61
Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
Figura 3. Resultados del monitoreo con el geófono 1 instalado en el pie de la falla
Nota: Coordenadas del geófono 1 (X: 11444, Y: 25601).
Caso tres: Monitoreo de vibraciones en poblados cercanos
Objetivo: Establecer los procedimientos para monitorear vibraciones y ruidos en los
centros poblados más cercanos ocasionados por las voladuras realizadas en tajo.
Procedimiento:
1. El ingeniero responsable de medio ambiente ubicó en un plano el centro poblado
más cercano y representativo (en dirección horizontal) para realizar los monitoreos.
2. El ingeniero de P & V ubicó junto con el ingeniero responsable de medio ambiente
el centro poblado en mención y determinaron un punto de monitoreo apropiado
para realizar los monitoreos.
3. Con un tiempo prudente de anticipación el ingeniero de P & V programó el
sismógrafo Minmate Plus de Instantel y ubicó el geófono estándar de Instantel, así
como el micrófono para la medición de ruido.
4. Mediante el uso de una radio de comunicación Motorala el ingeniero de P & V
coordinó el instante exacto del disparo de manera que el sismógrafo registrara los
eventos producto del disparo realizado.
5. Luego del disparo se descargó toda la información almacenada en el sismógrafo
en un computador mediante el software Blastware 8 para interpretar las señales.
6. Con la información obtenida por el software se calculó el PPVmax (peak particle
velocity máximo) en mm/s y el pico máximo en dB (decibeles) en un tiempo en ms
(milisegundos). En base a esta información, con el software para simulación de
voladuras JK-SimBlast se simuló el disparo del proyecto, ubicando de acuerdo al
59
REFI UPN.2014; 2(2): 53-61
Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
tiempo los taladros que hayan salido juntos o muy cercanos y en base a ello se
obtuvo la cantidad de kg. de explosivos que ocasionó el PPVmax.
7. Con el fin de obtener un análisis no solo cuantitativo sino cualitativo se tomó como
marco referencial las normas de la U.S. Bureau of Mines (ver Tabla 2).
Tabla 2. Valor máximo de la velocidad de partícula según propuesta de USBM
Tipo de estructura
Baja frecuencia
Alta frecuencia
Casas modernas con paredes revestidas de
material diferente del revoque común (yeso)
19 mm/s
50 mm/s
Casas antiguas con paredes revoadas
12,5 mm/s
50 mm/s
Baja frecuencia
< 40 Hz, todo pico espectral por debajo de 40Hz y
dentro de una faja de 6dB (osea 5% de la
amplitud verificada a la frecuencia predominante)
justifica el empleo del criterio de baja frecuencia.
Alta frecuencia
> 40 Hz
IV. DISCUSIÓN
Se pudo observar claramente que el monitoreo en el tajo y cerca de las comunidades
es sumamente importante ya que ayuda a determinar controles futuros y evitar
problemas con las estructuras aledañas. Tener un parámetro de comparación
referencial es trascendental en este proceso.
V. 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.
60
REFI UPN.2014; 2(2): 53-61
Monitoreo de vibraciones causadas por voladuras
Agradecimiento
Al ingeniero Martín Mendoza por su asesoría y supervisión permanente, a Flor Terán por su
ágil gestión, al ingeniero José Luis Ballón por su asesoría y apoyo incondicional y a todo el
equipo
de
profesionales
de
Perforación
y
Voladura.
BIBLIOGRAFÍA
Chakraborty, A.K.; Jethwa, J.L. y Paithankar, A.G. (1994). Effects of joint orientation and
rock mass quality on tunnel blasting. Engineering Geology, 37(3-4), 247-262.
Raina, A.K.; Ramulu, M.; Choudhury, P.B. et al. (2008). Application of digital image analysis
technique for assessment of blast fragmentation and explosives energy utilisation in
large opencast coal mine. Journal of Mines, Metals and Fuels, 56(7-8), 140-147.
Sharma, P.D. (2010). Factors in designing of blasts, flyrock, industrial explosives used and
safe operation of bulk explosives in opencast mines. Journal of Mines, Metals and
Fuels, 58(9), 255-261.
Shrimali, R.; Mandal, D. y Shekhawat, L.S. (2014). Blast design vis-à-vis selection of
explosives characteristics at Rampura-Agucha mines (HZL). Journal of Mines, Metals
and Fuels, 62(5-6), 169-172.
61