DISEÑO DE VOLADURA DE CONTORNO CONTROLADO CON DINAMITA

DATOS

Tipo de Roca : Granodiorita Resist. A la Comp. Simple : 250 Mpa. Resist. A la Tracción : 15 Mpa. Módulo de Poison : 0.28 Densidad de Roa : 2.7 gr/cc.

EQUIPO DE PERFORACION

Por ser un túnel de gran sección (>30 m) se opta por un Jumbo.

SELECCIÓN DE DIAMETRO DEL TALADRO Y LONGITUD DE PERFORACION

Teniendo en cuenta la sgte. Tabla :

DIAMETRO DE BROCA (mm) SECCON DEL TUNEL (m)27 - 4035 – 4538 - 51

< 1010 – 30> 30

Como nuestra sección es de 33 m , corresponde a un diámetro de broca de 38 a 51 mm.

* Ya que diámetros de 38 a 41 mm. incrementan excesivamente la cantidad de taladros a perforarse.* Y diámetros de 51 mm. o más producen demasiada sobre rotura en las paredes del túnel, incrementando los costos de sostenimiento temporal y revestimiento permanente posterior.

Tomando en consideración lo antes mencionado se elige una broca de 45 mm.

Se optaron por barrenos de 13 pies. Con diámetros de 89 mm. para taladros de alivio en el arranque.

CALCULO DE PROFUNDIDAD DE TALADROS A PERFORARSE

H = 0.15 + 34.1Φ – 39.4Φ

Donde :

H : Profundidad de taladros a perforarse, en m.Φ : Diámetro del taladro vacío, en m.

Como se quiere obtener avances próximos a los 13 pies de barreno, se optó por utilizar en el arranque paralelo de cuatro secciones 02 taladros vacíos de 89 mm cada uno. Pero primero debemos determinar el diámetro del taladro vacío equivalente de la siguiente manera:

Φ = do √n

Φ : Diámetro del taladro vacío equivalente en m.Do : Diámetro vacío del taladro perforado, en m.n : Nº de taladros vacíos.

Reemplazando:Φ = 0.089 √2 = 0.125 m.

Y reemplazamos este dato en la ecuación:

H = 0.15 + 34.1*(0.125 – 39.4*(0.125)H = 3.79 mLo que da un avance de :I = 0.95 x H = 0.95 x 3.79 = 3.60 m.

Este avance se podría obtener en la práctica siempre y cuando se realice la perforación con buena precisión.

SELECCIÓN DEL EXPLOSIVO PARA LA CARGA DE FONDO

Para nuestro tipo de roca que es una granodiorita, con una velocidad sísmica de 4800 m/s; le correspondería si se pretende utilizar dinamita semigelatina, la dinamita Semexsa 80 (nombre comercial) que tiene una velocidad de detonación de 4500 m/s y se adecua ya que consideramos escasa presencia de agua en el sitio de trabajo.Al momento de diseñar una voladura se debe considerar el acoplamiento de impedancia o grado de transferencia de energía a través de la superficie de contacto entre los materiales disímiles (explosivo – roca).

Este acoplamiento se define mediante la siguiente relación:

AI = ( Ie ) Im

Donde :

Ie : Impedancia del explosivo en Lb/pulg³Im : Impedancia del medio (roca, agua, aire) en Lb/pulg³La impedancia de detonación del explosivo se puede calcula de la siguiente manera :

Ie = 3.68 x 10^-3 θa (VD)

La impedancia del macizo rocoso se calcula por medio de la siguiente relación :

Im = 3.68 x 10^-3 θm (VS)

Por lo tanto:

( Ie ) = ( θa ) x ( Ve )Im θm Vm

Donde :

Θa : Densidad de explosivo, gr/cm³Θm : Densidad del medio (Roca), gr/cm³Ve : Velocidad de detonación del explosivo, en m/sVm : Velocidad sísmica de la roca, en m/s.

El acoplamiento de impedancias (AI) debe ser 100%, llegar a obtener este valor es un caso ideal y muy rara vez se cumple; en la práctica se trabaja con valores mayores de 26%; en consecuencia éste será el rango que adoptaremos.

Reemplazando los datos para la dinamita Semexsa 80:

( Ie ) = ( 1.18 ) x ( 4500 ) = 0.41 Im 2.7 4800

Vemos que es aceptable el índice de 0.41 (41%) con respecto a la necesidad de maximizar la transferencia de energía disponible del explosivo a la roca.

Finalmente se seleccionó la dinamita Semexsa 80, por que:

El acoplamiento de impedancia es aceptable. El rendimiento del explosivo es aceptable desde el punto de vista de la concentración lineal de

la carga explosiva.

Además la carga de fondo debe ser la carga explosiva de mayor densidad o potencia requerida en el fondo del taladro, para romper la parte más confinada ya que la roca ha de romperse por tracción y cizalladura procurar tener una eficiencia de avance del disparo de por lo menos 95%.

SELECCIÓN DEL EXPLOSIVO PARA LA CARGA DE COLUMNA

La carga de columna se ubica seguida de la carga de fondo y puede ser de menor densidad, potencia o concentración ya que el confinamiento de la roca en este sector del taladro es menor; la función de rotura de esta carga de columna es de corte y fragmentación.

Es preferible utilizar la dinamita Semexsa 45 que tiene u menor rendimiento, que una dinamita Semexsa semigelatina 80, y podría trabajar bien en taladros de ayudas de cuadradotes y de arrastre; debido principalmente al menor grado de confinamiento y mayor y/o mejor formación de las caras libres porque además la concentración lineal efectiva del explosivo es la más adecuada para estos taladros de diseño.

Determinamos el acoplamiento de impedancias para la dinamita Semexsa 45 :

( Ie ) = ( θa ) x ( Ve )Im θm Vm

Reemplazando los datos se obtiene:

( Ie ) = ( 1.05 ) x ( 3200 ) = 0.26 Im 2.7 4800

Vemos que el índice de impedancias es 0.26 (26%) como carga columna desde el punto de vista de la transferencia de la energía disponible del explosivo a la roca.Se debe mencionar que en los taladros de contorno se empleará la dinamita especial Exacorte para recorte periférico en túneles.

DETERMINACION DEL DIAMETRO DE OS CARTUCHOS

Se basa en el acoplamiento geométrico, para cargas cilíndricas se define como el cociente del diámetro del taladro entre el diámetro del explosivo.

AG = ( Db ) De

En una voladura principal se pretende que la relación de diámetros se encuentre en el rango de:

1.0 ≤ AG ≤ 1.2

Reemplazando datos para el diámetro de cartucho de 1½” (38 mm) se tiene :

AG = ( Db ) = 45 mm = 1.18 De 38 mm

Este valor de 1.18 se encuentra en el rango de 1.0 a 1.2

En consecuencia los diámetros de los cartuchos para la voladura principal serán de 1½” (38 mm).

El diámetro de los cartuchos para los taladros de contorno; se ha determinado que para aplicaciones prácticas de una voladura controlada se debe procurar tener siempre una relación de:

AG ≤ 2.3

Si se pretende utilizar el diámetro de cartucho de 7/8 “ (22 mm) para los taladros de contorno se tiene:

AG = ( Db ) = 45 mm = 2.04 De 22 mm

Este valor es menor que 2.3, en consecuencia es aceptable el diámetro de 7/8” para los cartuchos de dinamita especial Exacorte, y no se presentarán problemas de pre-compresión y desensibilización de la columna explosiva.

DETERMINAMOS DISTRIBUCION DE CARGA EXPLOSIVA EN EL TALADRO

Se utilizará cartuchos de dinamita semigelatina de 2 diámetros y de la siguiente manera:

Carga de fondo : Semexsa 80 1¼” x 8”

Carga de columna : Semexsa 45 de 7/8” x 8”

Cargando alternativamente con espaciadores donde la longitud del espaciador será:

Ls ≤ 8 De

Para un diámetro de explosivo de 7/8” (22 mm) la longitud del espaciador debe ser: Ls ≤ 0.178 m.

CALCULO DEL Nº DE CARTUCHOS POR TALADRO (NC)

NC = Hc ÷ (Ls + Lc)

Donde :

H : Long. de la cargaXs : Longitud del tacoLs : Long. Del espaciador en m.Lc : Longitud del cartucho = 0.20 m.

NC = 3.23 / (0.15 + 0.20) = 9.23 cartuchos.

NC : Nº de cartuchos = 10Ns : Nº de espaciadores = NC – 1 = 9Ls : Longitud del espaciador a utilizar :

Ls = Hc – NC*Lc Nc -1

Ls = 0.136 m.

DISTRIBUCION DE LA CARGA EXPLOSIVA DENTRO DEL TALADRO

EXPLOSIVO DIMEN. CART. LONG. CARGA % CARGASemexsa 80Semexsa 45

1¼” x 8"7/8” x 8”

0109

0.201.80

0.2160.729

23.0077.00

10 2.00 0.945 100.00

CALCULO DE LA PRESION EN LOS TALADROS

Calculamos la presión de explosión que actúa a lo largo del taladro:

Pt eq = Pt ds80 + Pt ds 45

Reemplazando en la fórmula :

Pt = PE x [ √ Nc*Lc x De ]^2.4 Hc Db

Para la dinamia semigelatina semexa 80 :

Pt = 2802.50 x [ √ 0.203 x 32 ]^2.4 = 44.68 MPa. 3.23 45

Para la dinamita semigelatina Semexsa 45:

Pt = 1907.56 x [ √ 1.83 x 22 ]^2.4 = 173.17 MPa. 3.23 45

Presión que actúa en el taladro : 217.85 MPa.

COMPROBAMOS LA PRIMERA CONDICION DE ROTURA EN EL RECORTE

Para que se cumpla esta primera condición, la presión en los taladros debe ser igual o menor que la resistencia a la compresión dinámica de la roca , o sea:

Pt ≤ Rc

Como dato de la muestra se tiene que Rc = 500 MPa. , y podemos apreciar que la condición se cumple:

218 MPa < 500 Pa

CALCULO DEL ESPACIAMIENTO DE LOS TALADROS

Para voladuras de recorte la relación S/Db está entre 13 y 16.

S = K x 10^-3 x Db

Tomamos el valor de K = 14

S = 14 x 10^-3 x 45 mm = 0.63 m.

S = 0.63 m.

CALCULO DEL ESFUERZO TRACCIONAL GENERADO POR LOS EXPLOSIVOS

Empleamos la fórmula de Duval:

-( as ) De

T = θ Pt √ (Db /s) x e^

Reemplazando valores y haciendo variar el espaciamiento obtenemos el siguiente cuadro de esfuerzos de tracción generado por los explosivos.

-( 0.002xs ) 22

T = 0.28 x 217.85 √ (45 /S) x e^

Nº NC P (MPa) S (mm) S/Db T (MPa)01 10 217.85 585 13 15.7102 10 217.85 630 14 15.0803 10 217.85 675 15 14.5104 10 217.85 720 16 13.99

COMPROBAMOS LA SEGUNDA CONDICION DE ROTURA EN EL RECORTE

Para la segunda condición el esfuerzo traccional generado por los explosivos debe ser capaz de superar la resistencia a la tracción de la roca, para que el recorte se produzca, o sea :

T > Rt

Como dato de la mestra se tiene que Rt = 15 MPa y apreciamos en el cuadro anterior que la condición se cumple para la alternativa 01 por lo que se toma para el diseño T = 15.71 = 16

16 MPa > 15 MPa

Asimismo el espaciamiento de los taladros queda modificado en S = 0.58 m.

CALCULO DE LA DENSIDAD DE CARGA INEAL DEL EXPLOSIVO

Para el explosivo Semexsa 45, por tratarse de un explosivo de mayor longitud de carga y por tratarse de un explosivo de columna.

DC = 0.0007854 (De) x S.G.

DC = 0.0007854 (22) x 1.08

DC = 0.41 Kg/m.

CALCULO DE LA CONCENTRACION LINEAL EFECTIVA

Remplazando en la fórmula:

L1 = DC x Lc Lc + Ls

Considerando un espaciador por cartucho:

L1 = DC x Lc Lc + Ls*Ns

NC

L1 = 0.41 x 0.20 = 0.25 Kg/m 0.20 + 0.122

CALCULO DEL BURDEN

El burden de los taladros de contorno varía entre 1.20 y 1.30 veces el espaciamiento de taladros; usaremos la siguiente expresión:

B = 1.20 S

B = 1.20 (0.58) 0.696

B = 0.70 m.

CALCULO DEL RADIO DE LA ZONA DE DAÑO O FRACTURAMIENTO DE LOS TALADROS PERIMETRALES

La velocidad máxima de las partículas es función de la distancia perpendicular a la columna de la carga explosiva y la densidad lineal de carga. Para rocas medias o rocas duras se tiene un rango en el cual se produce el daño a la roca remanente. Si la velocidad máxima de partícula se encuenra dentro del rango de 700 mm/s a 1000 mm/s se inicia el daño a la roca.

Para este primer diseño de recorte se tienen los siguientes datos:

l : concentración de carga = 0.25 Kg- ANFO/m

Xs : longitud del taco = 0.61 m.

H : Longitud de carga = 3.23 m.

El valor de la constante K = 400 mm/s y α = 0.7, y se debe determinar la distancia r0 para el rango dado.

CARACTERISTICAS DEL DISEÑO

Nº taladros vacíos : 02

Diámetro de taladros vacíos : 102

Diámetro de taladros (mm) : 45

Longitud de perforación (m) : 3.84

Avance (m) : 3.53

Tipo de Roca : I

Área sección (m) : 26.86

Volumen de roca (m³) : 94.83

Factor de carga (Kg/m) : 2.05

Coeficiente de barrenación : 2.83

CUADRO RESUMEN DE LA DISTRIBUCION DE TALADROS

MALLA DE PERFORACION E INCIDENCIA DEL USO DE RETARDOS

ZONA DE DAÑO DE TALADROS CUADRADORES Y AYUDA DE CUADRADORES