Transcript 2.3_Mecanica_de_rotura

MECÁNICA DE ROTURA DE
LAS ROCAS
PROCESOS DE
FRAGMENTACIÓN
Y TEORÍAS
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS
PROCESO DE FRACTURACIÓN
La fragmentación de rocas por voladura comprende a la
acción de un explosivo y a la consecuente respuesta de la masa
de roca circundante, involucrando factores de tiempo, energía
termodinámica, ondas de presión, mecánica de rocas y otros,
en un rápido y complejo mecanismo de interacción.
PROCESO DE DETONACIÓN DE UNA CARGA
EXPLOSIVA
ONDA DE CHOQUE
O DE TENSIÓN
ROCA
COMPRIMIDA
ONDA DE
REFLEXIÓN
(*)
ROCA NO
ALTERADA
***
*****
********
**********
*************
***************
*****************
*******************
*********************
***********************
**************************
****** *******************
***********
CAÍDA DE
PRESIÓN INICIAL
ONDA DE
REFLEXIÓN
Y GASES EN
EXPANSIÓN
ENSANCHAMIENTO
DEL TALADRO
PCJ
*********
****** ***************
***************************
*************************
************************
*********************
*******************
*****************
***************
**************
************
**********
********
******
*****
***
*
EXPLOSIVO
SIN
REACCIONAR
DIRECCIÓN DE
AVANCE DE LA
DETONACIÓN
FC
ZR
ROCA NO
ALTERADA
PCJ: PLANO DE CJ
ZR : ZONA DE REACCIÓN
FC : FRENTE DE CHOQUE
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS
Este mecanismo aún no está plenamente definido, existiendo
varias teorías que tratan de explicarlo entre las que
mencionamos a:
 Teoría de reflexión (ondas de tensión reflejadas en una cara
libre).
 Teoría de expansión de gases.
 Teoría de ruptura flexural (por expansión de gases).
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS
 Teoría de torque (torsión) o de cizallamiento.
 Teoría de craterización.
 Teoría de energía de los frentes de onda de compresión
y tensión.
 Teoría de liberación súbita de cargas.
 Teoría de nucleación de fracturas en fallas y
discontinuidades.
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS
Una explicación sencilla, comúnmente aceptada, que
resume varios de los conceptos considerados en estas
teorías, estima que el proceso ocurre en varias etapas o
fases que se desarrollan casi simultáneamente en un
tiempo extremadamente corto, de pocos milisegundos,
durante el cual ocurre la completa detonación de una
carga confinada, comprendiendo desde la fragmentación
hasta el total desplazamiento del material volado.
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS
Estas etapas son:
1. Detonación del explosivo y generación de la onda de
choque.
2. Transferencia de la onda de choque a la masa de la
roca iniciando su agrietamiento.
3. Generación y expansión de gases a alta presión y
temperatura que provocan la fracturación y
movimiento de la roca.
4. Desplazamiento de la masa de roca triturada
para
formar la pila de escombros o detritos.
.........
MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS
La rotura de rocas requiere condiciones fundamentales
como:
1. Confinamiento del explosivo en el taladro.
2. Cara libre.
3. Relación entre diámetro del taladro a distancia óptima
a la cara libre (burden).
4. Relación burden-altura de banco y profundidad del
taladro.
5. Condiciones geológicas, parámetros del taladro y
explosivo para generar el fisuramiento cilíndrico
radial y la consecuente rotura flexural.
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA
DE UN TALADRO CON CARA LIBRE
1. COLUMNA EXPLOSIVA
TACO
INERTE
CARGA
EXPLOSIVA
CONFINADA
INICIADOR
SUFICIENTE
BURDEN
TALADRO
CARA
LIBRE
SOBREPERFORACIÓN
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA
DE UN TALADRO CON CARA LIBRE
2. PROPAGACIÓN DE LA ONDA DE SHOCK
LAS ONDAS O
FUERZAS DE
COMPRESIÓN
GENERADAS EN
EL TALADRO
VIAJAN HACIA LA
CARA LIBRE
LAS ONDAS
QUE
ESCAPAN
PRODUCEN
CONCUSIÓN
Y ONDAS
SÍSMICAS
ONDAS
SISMICAS
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA
DE UN TALADRO CON CARA LIBRE
3. AGRIETAMIENTO POR TENSIÓN
LAS ONDAS SE
REFLEJAN EN LA
CARA LIBRE Y
REGRESAN EN
FORMA DE FUERZAS
DE TENSIÓN QUE
AGRIETAN A LA
ROCA.
SE NOTA YA LA
EXPANSIÓN DE
LOS GASES
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA
DE UN TALADRO CON CARA LIBRE
4. ROTURA DE EXPANSIÓN
LOS GASES A
ALTA PRESIÓN
SE EXPANDEN
RÁPIDAMENTE
PENETRANDO
EN LAS GRIETAS DE
TENSIÓN INICIANDO
LA ROTURA RADIAL
Y EL DESPLAZAMIENTO DE
LA ROCA
ROTURA
ADICIONAL
POR
DESCOSTRE
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA
DE UN TALADRO CON CARA LIBRE
5. EXPANSIÓN MÁXIMA (ROTURA FLEXURAL)
LOS GASES
PRESIONAN AL
CUERPO DE ROCA
ENTRE EL TALADRO
Y LA CARA LIBRE,
DOBLÁNDOLA Y
CREANDO PLANOS
DE ROTURA
HORIZONTALES
ADICIONALES
FASES DE LA MECÁNICA DE ROTURA
DE UN TALADRO CON CARA LIBRE
6. FASE FINAL: FORMACIÓN DE LA PILA DE ESCOMBROS
LOS GASES EN CONTACTO
CON EL MEDIO AMBIENTE
PIERDEN FUERZA Y EL
MATERIAL TRITURADO CAE
AL PIE DE LA NUEVA CARA
LIBRE
ESQUEMA DE AGRIETAMIENTO RADIAL DE
LA ROCA
ESQUEMA DE AGRIETAMIENTO RADIAL DE LA
ROCA Y LA INFLUENCIA DE TALADROS
CONTIGUOS
Si las columnas de explosivo son intersectadas longitudinal-mente
por fracturas existentes, éstas se abrirán por efecto de la onda de
choque y se limitará el desarrollo de las grietas radiales en otras
direcciones.
Las fracturas paralelas a los taladros que se encuentran a cierta
distancia de estos taladros, evitarán que la formación de grietas se
propaguen en la roca.
Fracturas
Grietas
radiales
Zona de
fracturación
radial
Roca
pulverizada
Taladro
El
agrietamiento
no avanza
debido al
choque con
las fracturas
paralelas
MECANISMOS DE ROTURA
• FASE I
(VISTA DE PLANTA)
CARA
LIBRE
ONDAS DE
CHOQUE
BURDEN
TALADROS
ESPACIAMIENTO
MECANISMOS DE ROTURA
(VISTA DE PLANTA)
• FASE II
TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO
CARA
LIBRE
ONDAS DE
CHOQUE
REFLEJADAS
ZONA DE
AGRIETAMIENTO
RADIAL
ANILLO DE
ROCA
PULVERIZADA
MECANISMOS DE ROTURA
• FASE III
(VISTA DE PLANTA)
PROYECCIÓN DE ROCA
ONDAS
DE
CHOQUE
REFLEJADAS
EXTENSIÓN DE LAS GRIETAS RADIALES
POR LA EXPANSIÓN DE LOS GASSES
CARA
LIBRE
MECANISMOS DE ROTURA
(VISTA DE PLANTA)
• FASE IV
PROYECCIÓN
DE ROCA
ROTURA
DE CRÁTER
MECÁNICA DE ROTURA
DE UN TALADRO SIN CARA LIBRE (CRÁTER)
1. TALADRO DE CRÁTER
TACO
INERTE
LÍMITE
DE
ROTURA
COLUMNA
EXPLOSIVA
BOOSTER
MECÁNICA DE ROTURA
DE UN TALADRO SIN CARA LIBRE (CRÁTER)
2. DETONACIÓN
ONDAS DE TENSIÓN, SÓLO EN LA
CARA LIBRE SUPERFICIAL
ONDAS DE
COMPRESIÓN
ONDAS DE COMPRESIÓN
QUE SE DISIPAN
COMO ONDAS SÍSMICAS
INFLUENCIA
DE
TALADROS CONTIGUOS
INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS
1. ESPACIAMIENTO ADECUADO
TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO
CARA
LIBRE
ONDAS DE
CHOQUE
REFLEJADAS
ZONA DE
AGRIETAMIENTO
RADIAL
ESPACIAMIENTO
ANILLO DE
ROCA
PULVERIZADA
INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS
2. ESPACIAMIENTO MUY CORTO (PROYECCIÓN EXCESIVA)
TENSIONES EN EL MACIZO ROCOSO
CARA
LIBRE
INFLUENCIA
ENTRE
TALADROS
SOBREROTURA
ESPACIAMIENTO
ANILLO DE
ROCA
PULVERIZADA
INFLUENCIA DE TALADROS CONTIGUOS
3. ESPACIAMIENTO MUY AMPLIO (LOS TALADROS SE
SOPLAN)
CARA
LIBRE
ESPACIAMIENTO
ANILLO DE
ROCA
PULVERIZADA
INFLUENCIA
DEL ORDEN DE SALIDA DE LOS
TALADROS CONTIGUOS
DISEÑO DE MALLA
VOLADURA SUBTERRÁNEA
11A
11A
11A
EJEMPLO
11A
11A
6A
11A
6A
11A
3A
5A
9A
5A
1A
3A
3R
1A
1R
1R
9A
3A
9A
5A
1A
3R
1A
1,5 m
3A
9A
9A
7A
15A
7A
13A
7A
13A
3,5 m
9A
5A
7A
13A
15A
3,0 m
N° Taladros = 40 cargados + 2 de alivio
DISEÑO DE MALLA
VOLADURA DE SUPERFIE
EJEMPLO
25
17
17
PUNTO DE INICIACIÓN
º
51
º
34
º
17
º
º
17
CARA LIBRE
º
34
º
51
76
59
42
25
42
59
76
101
84
67
50
67
84
101
126
109
92
75
92
109
126
151
134
117
100
117
134
151
DISEÑO DE MALLA
VOLADURA DE SUPERFIE
EJEMPLO
PUNTO DE INICIACION
CARA LIBRE
42
59
76
84
101
118
135
152
17
42
168
143
160
177
194
126
185
202
219
236
210
227
244
269
DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA POTENCIAL
DE UN EXPLOSIVO EN ACCIÓN
EXPLOSIÓN:
IMPACTO - EXPANSIÓN
ENERGIA ÚTIL DE TRABAJO
ENERGÍA DE LA
ONDA DE CHOQUE
ENERGÍA DE LOS
GASES DE EXPANSIÓN
EFECTOS SUMADOS DE IMPACTO Y DE PRESIÓN,
QUE PRODUCEN EN LA ROCA LA DEFORMACIÓN
ELÁSTICA Y ROTURA IN SITU (1)
ENERGÍA NO UTILIZABLE O
PERDIDA
TÉRMICA
LUMINOSA
VIBRATORIA
(CALOR)
(LUZ)
SÓNICA
(ONDA
SÍSMICA)
(RUIDO)
(BLAST)
ENERGÍA REMANENTE DE LA EXPANSIÓN
DE GASES (2)
PÉRDIDAS AL PONERSE LOS
GASES CON ELEVADA
PRESIÓN EN CONTACTO CON
LA ATMÓSFERA
PORCENTAJE UTILIZABLE PARA EL
DESPLAZAMIENTO DE FRAGMENTOS
DENTRO DEL MONTON DE ESCOMBROS
(EMPUJE Y APILONADO DE LOS DETRITOS)
PÉRDIDA ADICIONAL EN EL
IMPULSO DE PROYECCIÓN
DE FRAGMENTOS VOLANTES
(FLY ROCKS)
VARIABLES
CONTROLABLES
EN LA VOLADURA
VARIABLES
NO CONTROLABLES
EN VOLADURA
PERFORACIÓN
CARGA Y ENCENDIDO
GEOLOGÍA
VOLADURA PREPARADA
DISPARO
TIEMPO PROMEDIO
DEL PROCESO
MENOS DE 2 S
RESULTADO DEL DISPARO
VARIABLES CONTROLABLES EN LA
VOLADURA
PERFORACIÓN
• DIÁMETRO DE TALADRO
• TIPO DE CORTE O ARRANQUE
• LONGITUD DE TALADRO
• DIRECCIÓN DE SALIDA DE LOS TIROS
• DISTRIBUCIÓN DE TALADROS
(MALLA DE PERFORACIÓN)
• RADIO ESPACIO/ BURDEN
• LONGITUD DE TACO
• DIMENSIÓN DE LA VOLADURA
• CONFIGURACIÓN DEL DISPARO
• ANGULARIDAD Y/O PARALELISMO
• SOBREPERFORACIÓN
• CARAS LIBRES DISPONIBLES
• ALTURA DE BANCO
• TIPO DE TACO INERTE
• PROFUNDIDAD DE AVANCE (EN SUBSUELO)
VARIABLES CONTROLABLES EN LA
VOLADURA
CARGA Y ENCENDIDO
• TIPO DE EXPLOSIVO
• PROPIEDADES:
* DENSIDAD
* VELOCIDAD
* SENSIBILIDAD
* BRISANCE
* SIMPATÍA, ETC.
• ENERGÍA DISPONIBLE
• MÉTODO DE CARGA Y CEBADO
• ACOPLAMIENTO TALADRO/EXPLOSIVO
• LONGITUD DE COLUMNA EXPLOSIVA
• FACTOR DE CARGA (kg/m3)
• DISTRIBUCIÓN:
* CARGA DE FONDO
* CARGA DE COLUMNA
(TIPOS Y DENSIDADES)
• PROYECCIÓN DE CARAS LIBRES
A FORMAR CON CADA SALIDA
• SISTEMA DE INICIACIÓN
• SECUENCIA DE ENCENDIDOS
• DISTRIBUCIÓN DE CARGA
(A COLUMNA COMPLETA O
CON CARGAS ESPACIADAS)
VARIABLES NO CONTROLABLES EN
LA VOLADURA
GEOLOGÍA
• TIPO DE ROCA
• RESISTENCIA A LA ROTURA
Y PROPIEDADES ELÁSTICAS
DE LA ROCA
• FRECUENCIA SÍSMICA
• PRESENCIA DE AGUA
• CONDICIONES DEL TERRENO
• CONDICIONES DEL CLIMA
• DISCONTINUIDADES:
GRADO DE FISURAMIENTO
* DISYUNCION
* CLIVAJE
* FALLAS
* FISURAS
OQUEDADES, CAVERNAS
Y OTRAS.
RESULTADO DEL DISPARO
EN RENDIMIENTO
• SALIDA TOTAL O PARCIAL
DEL DISPARO
• FRAGMENTACIÓN
• DESPLAZAMIENTO Y FORMA
DEL CONO DE ESCOMBROS
• VOLUMEN DEL MATERIAL ROTO
• ESPONJAMIENTO (PARA EL RECOJO
Y RETIRO DE DETRITOS)
• ROTURA HACIA ATRÁS (BACK BREAK)
• SOBRESCAVACIÓN
• AVANCE DEL FRENTE
• PROYECCIÓN FRONTAL Y LATERAL
• NIVEL DE PISO (LOMOS)
• ANILLADO, CORNISAS, SUBSUELO, ETC.
EN SEGURIDAD
• PROYECCIÓN DE FRAGMENTOS
(FLY ROCKS)
• TECHOS Y CAJAS GOLPEADAS
(POSIBILIDAD DE DESPLOME)
• EXPLOSIVOS Y ACCESORIOS
NO DETONADOS
• TIROS FALLADOS
• GASES REMANENTES
CAUSAS USALES DE FALLAS DE DISPAROS
CAUSAS
Insuficiente
disponibilidad
de energía
Error con el tipo de
iniciador o
incompatibilidad
Ejecución del
Plan de disparo
Condiciones
geológicas
adversas
Mezcla
explosiva
Inapropiada
selección de tiempos
Propagación
Taladros
con agua
Errores de
perforación
Taladros
perdidos
Errores de
tiempos
Cut - offs: cortes
por diversos
motivos:
geología y otros
Cebado
insuficiente
Compatibilidad
del cordón
Antigüedad
de almacenaje
(edad-shelf life)
Efecto Canal
(Dead Pressing)
Presión de
muerte, densidad
Confinamiento
insuficiente
Dispersión
de retardos
Golpe de agua
(Water Hammer)
Mezcla de
diferentes tipos o
marcas de
detonadores de
retardo
Errores en el orden
de encendido de los
retardos
Errores de
carga del taladro