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PREDICCIN DE FRAGMENTACIN: EL TIEMPO ES ORO?

SYMPOSIUM INTERNACIONAL DE PERFORACIN Y VOLADURA DE ROCAS HUARAZ 2010

Preparado porPaulo Aguilera Gerente de Nuevos Negocios y Aplicacin de ProductoJoao Campos - Vicepresidente Davey Bickford Latinoamerica

Concepto de Prediccin

Una Visin al Futuro

Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos

2

Concepto de Prediccin

Predecir el sueo del ingeniero. La ciencia lo ha hecho posible!!

3


La Voladura no es Ajena!!

Prediccin del Comportamiento del Material: Conocemos nuestros Materiales??

4


La Voladura no es Ajena!!

Prediccin del Comportamiento del Macizo Rocoso:

Conocemos nuestro Cerro??

5


Fragmentacin e Ingeniera

Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos6

Con qu problemas nos encontramos??

Modelos consideran geometra homognea

Modelos consideran cargas homogneas

Errores altos (aprox. 50%)

Datos Globales de la voladura

Desviaciones no consideradas

En general no consideran secuencia de salida

Problemas estadsticos (nmero de fotografas)

Ajustes de algoritmos

Depende de la mano

Errores altos (aprox. 50%)

Fragmentacin

Debe ser econmicamente viable de obtener!

7Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos

El Tiempo es Oro?.... (o cobre, o carbn o etc.)

Incidencia del Tiempo en la Fragmentacin Final

8Katsabanis et al., 2006

Fragmentacin v/s Tiempo de Retardo

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000mm

%

P

a

s

a

n

t

e

0

10

Repeat 10

20

40

80

100

1000

2000

4000


0

10

20

30

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50

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1 10 100 1000mm

%

P

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s

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n

t

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0

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Repeat 10

20

40

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4000


0

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1 10 100 1000mm

%

P

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a

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t

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Repeat 10

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1 10 100 1000mm

%

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a

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t

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Repeat 10

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0

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1 10 100 1000mm

%

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a

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a

n

t

e

0

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Repeat 10

20

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1000

2000

4000


Precisin y Flexibilidad

La tecnologa de Detonadores Electrnicos ha abierto una ventana para conocer el efecto del tiempo en el resultado de la tronadura

9

Campos y Cunningham, 2000




10

Tronadura 548-22A disparada con 25ms entre pozos, 17ms de desface, 109ms la primera fila, 150ms para la segunda fila y 200ms para la tercera fila.

Tronadura disparada con 67ms entre pozos, 25ms de desfase la primera fila y 67 para las filas siguientes



11

VARIACIN EN EXTREMOS

0

20

40

60

80

100

120

Finos Top SizesTamao (mm)

%

P

a

s

a

n

t

e

Lnea BaseSugerencias


CURVAS DE FRAGMENTACIN TRONADURAS POLPAICO

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 100 10000Tamao(mm)

%

P

a

s

a

n

t

e

Lnea BaseSugerencia


Modelos de Fragmentacin y los Tiempos de Retardo

Una Mirada a la literatura: Modelos Estticos

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1933, Rossin-Rammler, describe la curva de distribucin de tamaos 1973, Kutznetzov plantea estimacin de tamao medio de la fragmentacin 1983, Hjelmberg actualiza modelo de Kuznetzov 1987, Cunningham, utiliza modelo de Kuz-Ram y de Kuznetzov, incluyendo

otros parmetros de prediccin, como Lilly (1986), modificado en el ao 2005 1999, Kanchibotla et al., plantea modificacin al modelo de Cunningham incluyendo un anlisis de la zona de los finos (Modelo de JKMRC)

2005, Ouchterlony plantea el modelo de Swebrec, que funciona en el rango de tamaos de 1 a 500mm (Modelo KCO)

2006, (Ken) Qian Liu plantea modificacin al modelo de Kuz-Ramm para minas subterrneas de roca dura

2006, Cceres, Katsabanis, Pelley y Kelebek plantean la utilizacin de redes neurales para modelar la fragmentacin por voladura



Deficiencias de los Modelos. Cunningham en 2005 plantea las siguientes deficiencias de los modelos:

13

Parmetros no considerados Propiedades de la roca y estructuras Dimensiones de la tronadura (numero de pozos por filas y numero de filas) Dimensiones del banco Tiempos entre pozos y precisin de retardos Desempeo de la detonacin (VoD) Decking de aire, agua o taco Efectos de uniones en los seis bordes de la tronadura, afectados por

tronaduras anteriores o geologa localLimitada habilidad para medir la fragmentacin

Perdida de finos por viento, tronaduras secundarias, factores de la operacin, etc.

Dificultad en el escalamiento de los efectos de las tronaduras Experimentos en plstico transparente, bloques de concreto, test de

laboratorios, etc.Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos


Consideracin del tiempo de retardo entre pozos realizada por Cunningham en 2005:

A partir de trabajos de Bergmann et al. (1974) y Winzer et al. (1979), que indican que el ptimo retado entre pozos para reducir el tamao de la fragmentacin es de 3ms/m de burden. Segn este trabajo, el tiempo ptimo entre pozos es dos veces el tiempo de propagacin de fracturas a lo largo del burden. Bergmann propone la siguiente ecuacin para encontrar el tiempo mximo para optimizar la fragmentacin:

Donde, Tmax es el retardo entre pozos en una fila para mxima fragmentacin (ms), Vp es la velocidad de onda compresiva (Km/s) y B es el burden.

14

BV

TP

6.15max




Introduciendo el factor anterior en el Factor de Roca A,

Para 0 < T/Tmax < 1

Para T/Tmax > 1

15

1258113066023

....maxmaxmax

TT

TT

TTAt

11090

max

..T

TAt




16



EFECTO DE LA TECNOLOGIA DE INICIACION ELECTRONICA

17

X

t

X

rS TT

TR

6

Donde, Rs= razn de dispersin; Tr= rango de dispersin para el sistema de iniciacin (ms); Tx= retardo entre pozos deseado (ms); t= desviacin estndar del sistema de iniciacin (ms).

Mientras mas alto sea el valor de la razn de dispersin, menos uniforme ser la fragmentacin. El siguiente algoritmo ilustra el efecto esperado de precisin en los resultados de la tronadura:

Este efecto es descrito por Cunningham (2005) a travs de la ecuacin de la Razn de dispersin Rs, definida como:

8.0

41206.0

SS Rn

Donde, ns es el factor de uniformidad gobernado por la razn de dispersin.


Discusin Propuesta MECANISMOS DE FRAGMENTACIN SIMPLIFICADOS

18

Esquemticamente se muestra elproceso de detonacin y generacinde fragmentacin producido por unafila de barrenos


Discusin Propuesta

19

1. Al detonar la columnaexplosiva se genera una onda dechoque que produce una presinde detonacin, Pd. Esta onda sedenomina Onda P.

2. El paso de la onda de choqueproduce un esfuerzo en el macizorocoso que sobrepasa suresistencia en compresin dinmicaen un radio de 2 a 4 veces eldimetro del pozo.

2-4

1.- PRESION DE DETONACION Y ONDAS DE CHOQUE


MECANISMOS DE FRAGMENTACIN SIMPLIFICADOS

Discusin Propuesta

20

3. A medida que la onda avanza seatena superando ahora laresistencia en traccin de la roca(1/10 la resistencia en compresin),generando fracturamiento fresco enla roca, visible en superficie.



Discusin Propuesta

21

4. La onda de choque sigueavanzando y atenundose, generandoun fracturamiento en la matriz de roca,no visible en superficie. Estefracturamiento va ms all de la zonadiseada, generando dao.

5. Comienza la generacin de gasesproveniente de la reaccin qumica delexplosivo. Estos penetran las fracturasgeneradas por la onda de choque y laspre-existentes en el macizo rocoso,extendindolas y produciendo movimiento,ayudando a la generacin de dao.

2.- EFECTO DE LOS GASES EN EXPANSIN



Discusin Propuesta

22

6. La onda de choque sigue avanzando yatenundose, generando un fracturamiento en lamatriz de roca, no visible en superficie. Ademsexiste una reflexin de las ondas P, generandocomponentes de traccin. Este fracturamiento vams all de la zona diseada, generando dao. 7. Los gases siguen penetrando en las

fracturas contribuyendo a la generacinde dao

3.- EFECTO DE LA COLISIN



Discusin Propuesta

23

ACCIN DE LA PRESION DE DETONACION Y ONDA DE CHOQUE

Software de utiliza el criterio de PPV Crtico


Obtengamos una Zona y no un Dato

24Prediccin de Fragmentacin: El Tiempo es Oro? Aguilera & Campos

Discusin Propuesta

25

ACCIN DE LA PRESION DE DETONACION Y ONDA DE CHOQUE: EFECTO DINAMICO


Discusin Propuesta

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ACCIN DE LA COLISIN DE FRAGMENTOS: EFECTO DINAMICOFragmentacin Gruesa Fragmentacin ptima Fragmentacin Gruesa

Iniciacin simultnea Aumento del Retardo Aumento del Retardo

F

r

a

g

m

e

n

t

a

c

i

n

H

o

m

o

g

n

e

a

La iniciacin simultanea probablemente generar una gran porcin de gruesos y finos, estos ltimos provenientes del entorno

inmediato al pozo escopetado

RETARDOS PIROTCNICOSRETARDOS ELECTRNICOS

La iniciacin simultanea probablemente generar una gran porcin de gruesos y finos, pero el

efecto de la dispersin homogeneizara la curva en alguna

proporcin

La precisin de los retardos generar una detonacin certera y la flexibilidad permitir encontrar el tiempo ptimo

El rango de tiempo puede entregar una curva aceptable, siempre dentro de

retardos ya establecidos, la dispersin hace la curva adems, ms

heterognea

A tiempos mayores que el ptimo ya deja de existir interaccin y colisin que permita mayor fragmentacin

A tiempos mayores que el ptimo ya deja de existir interaccin y colisin que permita mayor fragmentacin


Discusin Propuesta

27

Sector 1: No existe colisin, el primer pozo se mueve hacia la cara libre

rea de generacin de fracturamiento (degradacin de propiedades de la roca y explosivo)

rea de Colisin

Sector 2: Existe colisin entre el material proveniente del primer pozo y los sucesivos, este efecto se repite a lo largo de la fila.

rea de generacin de fracturamiento (degradacin de propiedades de la roca y explosivo)

rea de Colisin Mayorrea de generacin de fracturamiento y Dao

Sector 3: Existe colisin mayor entre el material de los ltimos pozos detonados y se genera Dao a la Roca ms all del ltimo pozo no detonado.


Caso de Estudio

28

Efecto del Tiempo para Modelar Curvas de Fragmentacin


Caso de Estudio

29



Caso de Estudio

30



31

Modelo Propuesto

Cualquier modelo de fragmentacin puede ser utilizado (Kuz-Ram, Swebrec u otros)

Ya no se calibran para obtener una curva para la voladura completa, sino uno para cada pozo, con su respectiva caracterstica y parmetros de voladura

La degradacin de las propiedades de parmetros involucrados en el proceso dinmico de rompimiento y fragmentacin en el volumen aun no volado de la roca aun no son considerados. Los principales son:

Generacin de fracturas frescas de la matriz de rocaApertura de fracturas pre-existentes en el macizoCambio en las propiedades de propagacin de ondas del macizo (Vp)Cambio en los coeficientes de elasticidad de la roca y el macizo rocosoCambio en el desempeo del explosivo (VoD, densidad crtica, etc.)Etc.


32

Correcciones al Modelo (I)


33

Correcciones al Modelo (II)

Espaciamiento (12m)

Pozo 1 Pozo 2

Longitud del pulso 30ms Falla en

compresin

Falla en tensin

Frente P

Frente S

Fin SFin P

Crack Crack


34

Correcciones al Modelo (III)


35

Correcciones al Modelo (IV)


36

Experimento

Ejemplo del Modelo

Para ilustrar el modelo global antes expuesto se realiza un experimento considerando una tronadura tipo con los siguientes parmetros:

Dimetro: 270mm Burden x Espaciamiento: Variable para el experimento N Pozos: 115 Retardo entre pozos: 7ms Vp inicial: 3500m/s Explosivo: Anfo Pesado 70/30


37

Criterio Utilizado

Ejemplo del Modelo

Cambio en Vp

Arbitrariamente se establece que cada vez que el pozo en estudio estaba dentro del radio de creacin de

nuevas fracturas la propiedad Vp disminua en 200m/s, y cada vez que el pozo en estudio estaba dentro del radio de apertura de fracturas pre-existentes la propiedad Vp disminua en 100m/s, siempre con un lmite de 1000m/s, ms all del cual el material no

representa un material volable.


38

Ejemplo del Modelo


39

Ejemplo del Modelo

DISTRIBUCIN GRANULOMETRICA SIN CORREGIR

0

10

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1 10 100

DISTRIBUCIN GRANULOMETRICA SIN CORREGIR

0

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20

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60

70

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90

100

1 10 100


40

Absolutamente dependientes de los retardos y la secuencia de iniciacin!!

Distribuciones Corregidas


41

Determinacin de halos de influencia

Distribuciones Corregidas

Halos de influencia para el Pozo 281

Generacin de fracturamiento fresco

Apertura de fracturas pre-existentes


42

Ejemplo del Modelo

DISTRIBUCIN GRANULOMTRICA CORREGIDA

0

10

20

30

40

50

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70

80

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100

1 10 100

DISTRIBUCIN GRANULOMTRICA CORREGIDA

0

10

20

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70

80

90

100

1 10 100


43

Ejemplo del Modelo

DISTRIBUCIN CORREGIDA Y SIN CORREGIR

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100

SIN CORREGIR CORREGIDA

DISTRIBUCIN CORREGIDA Y SIN CORREGIR

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100

SIN CORREGIR CORREGIDA


44

ISOCONTORNOS DE P80

Ejemplo del Modelo


Conclusiones

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Desde la aparicin del modelo de fragmentacin de Kuz-Ram en el ao 1987 ha sido uno de los ms utilizados para la prediccin de fragmentacin en forma esttica, considerando los parmetros energticos (explosivo) y geomecnicos y estructurales del macizo rocoso, pero sin considerar el timing o secuencia de iniciacin (tiempos de retardo).

Variados trabajos realizados por DetNet y diversos autores han comprobado la importancia de la secuencia de iniciacin en el resultado final de la fragmentacin, sobretodo con la incorporacin de las tecnologas de iniciacin electrnica, que entregan precisin y flexibilidad al diseo.

Cunningham (2005) incorpor en tiempo de retardo en el modelo de Kuz-Ram a partir de trabajos realizados por Bergmann (1974), estableciendo un tiempo ptimo para obtener fragmentacin ptima (Tmax). Sin embargo no es considerada la forma y el tamao de la tronadura.

Es posible establecer criterios para evaluar la fragmentacin resultante de la aplicacin de una secuencia de iniciacin especfica a partir de los mecanismos de colisin y accin de la presin de detonacin como generador de fracturamiento.

La industria de la iniciacin de tronaduras, esto es las compaa que fabrican y distribuyen sistema de iniciacin, estn llamadas a continuar constantemente buscando caminos y maneras de obtener fragmentacin ptima y descubrir cuales son los mecanismos que la producen, ms aun con la incorporacin de tecnologas de iniciacin electrnica.


46

Conclusiones (II)

La simulacin de la fragmentacin resultante de una tronadura es uno de los parmetros bsicos de xito, ya que de ella depende la eficiencia de procesos aguas abajo.

La simulacin de la fragmentacin por medio de variados modelos existentes es utilizada en general como una sola curva que describe la distribucin resultante, sin embargo, es mucho mas confiable obtener una distribucin de distribuciones que permita navegar dentro de un rea en donde existe una probabilidad de encontrar la curva resultante real.

Para la construccin de estas distribuciones corregidas es posible utilizar modelos de fracturamiento de la roca por tronadura, como por ejemplo la disminucin de Vp, PPV critico, Diagramas de Lagrange, etc.

Esta distribucin de distribuciones considera el efecto dinmico dentro del rea a tronar de los pozos detonados sobre aquellos pozos que aun no detonan, degradando o disminuyendo las propiedades tanto del macizo rocoso como del explosivo utilizado.

bacos de diseo son factibles de generar a partir del anlisis de zonas dentro de la tronadura con fragmentacin variada.


47

Conclusiones (III

Es necesario continuar investigando sobre cuales son las metodologas para obtener los coeficientes que determinarn la escala en que las propiedades del macizo rocoso o roca variarn ante la solicitacin generada por el efecto de la detonacin de otros pozos anteriores a su salida o detonacin.

bacos de diseo son factibles de generar a partir del anlisis de zonas dentro de la tronadura con fragmentacin variada.

Es necesario continuar investigando sobre cuales son las metodologas para obtener los coeficientes que determinarn la escala en que las propiedades del macizo rocoso o roca variarn ante la solicitacin generada por el efecto de la detonacin de otros pozos anteriores a su salida o detonacin.


GRACIAS POR SU ATENCIN

(THANKS FOR YOU ATTENTION para los gringos)

(GRACIAS POR SU ATENSAOCIA para los brasileros)

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