GRUPO DE TRONADURADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS Aspectos Geomecánicos de la Tronadura P. Arratia, G. Barindelli Resumen El presente trabajo expone los principales aspectos geomecánicos que deben ser considerados en el diseño de una tronadura como en su implementación. La principal forma de daño que ocasiona la tronadura es fracturamiento debido a la propagación de ondas sísmicas por el macizo rocoso. Además, una incorrecta implementación de un diseño también puede producir efectos no deseados como sobreexcavación y daño por vibraciones en las obras de ingeniería. La tronadura al ser ejecutada libera energía en forma de ondas mecánicas, principalmente P y S en el campo cercano, las cuales generan esfuerzos de compresión y corte respectivamente que incrementan los estados de esfuerzo in situ de la zona e interactúan con ellos, llegando a afectar desde los precortes hasta la estabilidad de una infraestructura minera. De ahí la importancia del control de estas variables, tanto en la etapa de diseño por parte de geomecánica como de tronadura en su implementación. Palabras Clave: daño, geomecánica, mecánica de rocas, tronadura, vibraciones. 1. INTRODUCCIÓN del daño por efectos de la tronadura sobre las obras de ingeniería minera. En la construcción de la infraestructura minera, la tronadura tiene un rol 2. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DEL fundamental puesto que es con ella con la cual se realiza la mayoría de las excavaciones MACIZO ROCOSO en roca. De ahí la importancia de controlar En geomecánica es usual dividir el macizo los distintos parámetros de la tronadura que rocoso en diversas unidades de propiedades puedan afectar al diseño geomecánico, ya sea similares, conocidas como Unidades en el caso de un talud como de un nivel de Geotécnicas. Es en cada una de estas producción en minería subterránea, o un unidades que el diseño de tronadura debe ser pilar. Un buen diseño geomecánico debe implementado. Se debe aprovechar esta estar acompañado de una buena faena de división del macizo rocoso para implementar tronadura, que minimice los efectos en daños mejores diseños de tronadura que satisfagan a la estructura que se construye y que no los requerimientos de granulometría, daño, active las inestabilidades presentes, etc., basado en las propiedades de cada una principalmente. de las unidades geotécnicas. Muchos autores del área de la mecánica de Para clasificar el macizo rocoso se utilizan rocas han puesto énfasis en el control de la criterios empíricos, basados principalmente tronadura como una variable de importancia en la observación de estructuras, alteración en la estabilidad de los diseños, sobre todo de la roca, presencia de agua y otras variables cuando ellos están controlados que cada uno de los distintos autores ha estructuralmente. considerado relevante para elaborar un criterio de clasificación de macizos rocosos. En el presente trabajo se pretende mostrar las relaciones más importantes entre la mecánica Los criterios más usados en minería son el de rocas y la tronadura, tanto en la etapa de RMR de Laubsher, y la modificación para diseño como de la implementación e condiciones de minería MRMR (o también iniciación, incluyéndose discusiones acerca llamado mister-mister), el RMR de CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 1 GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS Bieniawski, el criterio Q de Barton y En primer término, la información del macizo últimamente el GSI de Hoek. rocoso puede estar dada por los parámetros geomecánicos definidos para cada unidad Una vez que se ha dividido el macizo en las geotécnica del área estudiada. Por ejemplo, es unidades geotécnicas se simplifica el trabajo típico en minería a cielo abierto utilizar el de análisis del macizo, puesto que cada una RMR de Bieniawski para detallar la de las unidades geotécnicas representa zonas información respecto a litología y geología del macizo con un comportamiento físico– estructural, alteración y presencia de agua mecánico similar. para un sector. 3. PARÁMETROS GEOMECÁNICOS Otro parámetro geomecánico de importancia RELEVANTES EN EL DISEÑO DE es la resistencia a la compresión no confinada TRONADURAS (UCS). Valores típicos de UCS para las distintas rocas se pueden encontrar en la Un diseño bueno en tronadura debe tabla 1. considerar tanto la información del macizo rocoso como la granulometría y otras El UCS permite definir con cierto grado de variables deseables para el producto de la precisión el comportamiento ante esfuerzos tronadura. de la roca. Un UCS alto (120 MPa) indica que la roca que se va a tronar es de gran resistencia a la compresión y aproximadamente un 10% del valor UCS de la roca es el valor de la resistencia a la tracción de la roca. López muestra la secuencia de rotura de la roca alrededor de un barreno debido a una tronadura y la interacción entre los barrenos. Figura 2. Mecanismo de rotura por tronadura Otro parámetro de importancia en el diseño de una tronadura es el patrón estructural del sector a tronar. Se debe analizar en este caso la información obtenida por medio de sondajes (RQD, por ejemplo) o por medio de mapeos geológicos del sector. El patrón estructural es una variable relevante en Figura 1. Secuencia lógica del diseño de una tronadura cuanto a diseños de tronaduras puesto que es la variable que condiciona principalmente la granulometría obtenida después de la CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 2 GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS tronadura. Del patrón estructural es importante conocer el tipo de estructura (falla, diaclasa, fractura, etc.), su extensión, frecuencia de fractura en el caso de las estructuras menores y familias de estructuras. De las estructuras mayores se requiere conocer el rumbo y manteo, de manera tal de incluir su orientación espacial en los análisis previos al diseño e implementación de la tronadura y así poder controlar los efectos de la tronadura sobre la estructura geológica. Figura 3. Mecanismo de ruptura por flexión de la roca. Nótese que son expulsados principalmente bloques de roca intacta La intersección de las familias de estructuras menores definen bloques de roca intacta que son los que incidirán principalmente en la Figura 5. a) y b) Efecto de las discontinuidades en la granulometría obtenida después de efectuada formación de bloques colgantes como resultado de la tronadura. una faena de tronadura 4. ONDAS SÍSMICAS DE LA TRONADURA La energía liberada de la detonación de un pozo o de un barreno cargado se propaga por Figura 4. Importancia de las estructuras en la el macizo rocoso de manera ondulatoria. Se granulometría ha encontrado que las principales ondas, de naturaleza mecánica que produce una En la figura 4 se puede ver el fracturamiento tronadura, son las ondas P (Primary) que en la vecindad de un barreno de tronadura y generan esfuerzos de compresión, Ondas S cómo este es limitado cuando existe un set (Secondary) que generan esfuerzos de corte y estructural alrededor del barreno. las ondas Raleigh R (de superficie) que son una combinación de las ondas P y S. Las ondas P son conocidas también como ondas de compresión, tienen un movimiento radial respecto al foco emisor de la onda y son las responsables de los esfuerzos dinámicos normales en las partículas. Las CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 3 GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS ondas S, de corte, producen movimientos Donde E1 es el módulo de deformación oscilatorios horizontales de las partículas, dinámico de la roca intacta; generando esfuerzos de corte en ellas. Las es la razón de Poisson dinámica de ondas Raileigh son una combinación de estas la roca intacta. dos ondas mecánicas y su manifestación es en superficie, provocando movimientos elípticos Para las ondas S, la relación es: en las partículas. Un cuarto tipo de onda, que se manifiesta en superficie es la onda Q 1 (Love). Esta onda genera esfuerzos de corte E 2 CS 2 en la dirección horizontal transversal. 1 Donde E es el módulo de deformación dinámico de la roca intacta; es la razón de Poisson dinámica de la roca intacta. En la práctica lo que se hace es medir en laboratorio la velocidad de las ondas P y S, y a partir de estos resultados se encuentran los módulos dinámicos de la roca intacta. El valor de las velocidades de propagación de Figura 6. Ondas P y S las ondas mecánicas por la roca intacta es de mucha importancia en el control de vibraciones producidas por tronaduras. El macizo rocoso, debido a su naturaleza discontinua, anisotropita, heterogénea y no elástico – lineal, presentará necesariamente una velocidad de propagación de la onda sísmica (conocida como Vp de la onda) menor a la medida en laboratorio a los especimenes de roca intacta. Para conocer la velocidad de propagación de la onda sísmica en el macizo rocoso es necesario realizar Figura 7. Ondas Q y R ensayos en terreno para medir esta velocidad de propagación. El método más conocido Se han encontrado relaciones matemáticas para medir la velocidad de propagación de la entre las propiedades de ingeniería de la roca onda es el método Cross Hole2. y la velocidad de propagación de la onda por el macizo rocoso. Estas propiedades de ingeniería están medidas en condición dinámica, que es en la condición en la cual se desarrolla la tronadura. 1 Generalmente el módulo de deformación dinámico E Para el caso de las ondas P la ecuación es: tiene un valor menor al módulo de defromación estático, o módulo de Young, también denotado E. Este último se 1 calcula en el tramo elástico de la curva esfuerzo E 1 2 deformación de una probeta sometida a carga uniaxial. CP En relación al módulo de deformación hay que señalar 2 1 1 2 que para la velocidad de propagación de la onda en el macizo rocoso se debe utilizar el módulo E característico del macizo rocoso. Este puede ser calculado a partir de algunas de las clasificaciones de macizos rocoso nombradas en el capitulo 2. Véase la referencia [2]. CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 4 GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS 5. DAÑO POR TRONADURAS Quizás una buena granulometría implica un nivel excesivo de daño al macizo rocoso, o bien la activación de estructuras geológicas. 5.1 Estabilidad de labores Es en este sentido que el análisis de la distribución de energía de una tronadura es Cuando se realiza un diseño geomecánico de muy relevante, sobre todo cuando se un talud, en particular una inestabilidad con considera que ese movimiento de la energía control estructural, se hace en condición en forma de onda mecánica es el responsable estática, o sea, la aceleración de las partículas del daño y de las inestabilidades. La principal que componen la inestabilidad, sea esta un variable que afecta al nivel de vibraciones es deslizamiento plano o una cuña, es nula. En la carga máxima por retardo. condición dinámica, sin embargo, puede suceder que una inestabilidad que en 5.2 Factores Que Influyen En Las condición estática sea estable no lo sea en condición dinámica. La tronadura es una de Vibraciones las responsables de la aceleración de partículas en el macizo rocoso, y es por esto Como se ha visto, el daño en las obras de que hay que tener especial cuidado en ingeniería se produce por la liberación de diseñar tronaduras tales que las vibraciones energía de los explosivos, en forma de onda producidas no hagan fallar algunas mecánica. Se ha hallado que las principales inestabilidades existentes. variables que afectan a los parámetros de la onda mecánica producida por la tronadura Karzulovic (1997) mostró que el daño por son: tronaduras desde la cara libre del banco hacia Dispersión de los retardos el interior del talud llega incluso hasta 200 m, Carga máxima por retardo en donde se pueden encontrar microfracturas Cantidad de energía liberada por la indicadas por la propagación de las ondas tronadura producidas por la tronadura. Características del explosivo Otro factor relevante es la presencia de una Características del macizo rocoso falla en el sector a tronar, o bien en las inmediaciones de este sector. Si bien es cierto El problema más grave, en tronaduras en que se efectúan análisis de estabilidad para rajo, se produce detrás de la última fila de determinar si la falla es estable o no, si estos pozos de la tronadura, puesto que esta cara análisis consideran una condición dinámica recibe el máximo de vibraciones hasta el dentro de un cierto rango, y si al ejecutarse la último momento de la tronadura. Y es tronadura ese rango es excedido, precisamente esta cara la que será la cara del probablemente ocurrirá el colapso de la talud una vez removido el material dejado estructura. Por esto es importante considerar por la tronadura. Por esto se han desarrollado que, para que el diseño de la tronadura sea el técnicas para evitar al máximo el daño a esta mejor posible debe conciliar una serie de cara. Una de ellas, quizás la más conocida, es factores, a veces antagónicos, a saber: el precorte. Otra técnica es la tronadura amortiguada (smooth blasting) y por último el recorte. Granulometría aceptable Daños mínimos al macizo rocoso Mínimo de sobrequiebre Mínimo de dilución Forma del muckpile adecuada para el equipo de carguío. CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 5 GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS perforaciones se efectúen con el menor error de empatadura posible, etc. 6. ESFUERZOS INDUCIDOS POR LA TRONADURA 6.1 Análisis de Esfuerzo en Excavaciones En geomecánica es usual efectuar análisis de Figura 8. A la izquierda, tronadura amortiguada. A la derecha, tronadura normal. esfuerzos inducidos por excavaciones con software de elementos finitos o de otro tipo. En la figura 8 se puede apreciar los efectos en En general, se ha mostrado que la presencia superficie de un talud tronado con y sin de una excavación en un macizo rocoso tronadura amortiguada. Los efectos de esto redistribuye los esfuerzos en una zona de van desde la sobreexcavación del talud hasta influencia de la excavación, llegando incluso su inestabilidad total, en el peor de los casos. a ser varias veces mayor que el estado de esfuerzos in situ preminería. 5.3 Sobreexcavación Los resultados obtenidos por medio de este tipo de análisis también se obtienen en La sobreexcavación debida a tronaduras mal condición estática, y los factores de seguridad ejecutadas o mal diseñadas suele ser un calculados generalmente no consideran el problema de gran importancia en minería. Si efecto dinámico de las tronaduras. Por esto, se considera el caso de una tronadura en un es importante que el diseñador geomecánico banco, con una sobrexcavación de 2 o más sea capaz de prever este daño y lo compense, metros se disminuye considerablemente el dependiendo del tipo de infraestructura factor de seguridad calculado para el banco, minera que se diseña, aumentando el factor además de reducir el tamaño de la berma de seguridad de la excavación. para contener posibles derrames. Además, el daño sistemático a las paredes de los bancos por sobreexcavación obliga a los diseñadores a disminuir el ángulo de pit final de la mina, con la consiguiente remoción adicional de lastre, que repercute directamente sobre el VAN del proyecto minero. En el caso de minería subterránea, la sobreexcavación en pilares o en galerías compromete, en ambos casos, la estabilidad de la labor, y aumenta los gastos en fortificación. Se han desarrollado múltiples técnicas para evitar el daño a las paredes por efecto de la tronadura y la sobrexcavación. Sin embargo, Figura 9. Análisis de Esfuerzo alrededor de una un aspecto básico para el control de la excavación circular usando Phases 2.2. Nótese la sobrexcavación producida es la supervisión redistribución de esfuerzos alrededor de la constante de lo que se está realmente excavación. implementando del diseño de la tronadura, a saber: verificar que la cantidad de explosivo Las tronaduras generan esfuerzos inducidos indicado en el plano sea la misma que de compresión y de corte sobre el macizo efectivamente se está cargando, que las rocoso, los cuales pueden hacer sobrepasar el límite de resistencia de la roca o de una CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 6 GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS estructura minera, como un socavón o un barreno A es detonado, generando en B un pilar. esfuerzo inducido uniaxial. Como la longitud de onda de una tronadura es mucho mayor Las ondas S pueden activar estructuras que el diámetro de un barreno de precorte, se geológicas cuando estas son sometidas a la puede utilizar la solución de Kirsch para condición dinámica, siendo esta la principal analizar los esfuerzos inducidos en el barreno causa de ocurrencia de colapso de B. En los puntos I y II, el esfuerzo inducido inestabilidades en minería tanto subterránea por el barreno A tiene una magnitud como de superficie. σ pd A partir de un análisis de esfuerzos diferenciales actuantes en la vecindad de un mientras que en los puntos III y IV tienen una barreno de tronadura en detonación permiten magnitud de determinar el nivel de esfuerzos actuantes sobre la roca en la zona fracturada del σ 3 pd barreno. Por otra parte, se ha encontrado que la forma de análisis más efectiva para medir el nivel de esfuerzos inducidos sobre el macizo rocoso por la tronadura es midiendo la velocidad de las partículas del macizo rocoso, por medio de geófonos. Para los análisis se utiliza el valor peak de velocidad de partícula (PPV por sus siglas en inglés) y partiendo de la ley de Hooke para esfuerzos se llega a que PPV E Figura 10. Representación esquemática de un tiro de σT precorte detonando. VP La emisión de ondas de esfuerzo debido a la donde E: módulo de deformación del detonación del barreno B y la superposición macizo rocoso; con los esfuerzos transientes de borde PPV velocidad peak de partícula; producidos por el barreno A, resultan en VP: Velocidad de propagación de la esfuerzos de tracción de valores altos en los onda sísmica en el macizo rocoso. puntos I y II y de bajos valores en II y IV. Por esto se inician fracturas radiales A partir de esta expresión se puede conocer el preferentemente en la dirección I-II. El efecto valor del esfuerzo de tracción producido por de la presión de gas del barreno B promueve la onda sísmica de la tronadura y efectuar los el desarrollo de las incipientes fracturas en la correspondientes análisis de estabilidad. dirección I-II. 6.2 Teoría del Precorte 6.3 Relación con el estado de Esfuerzos In Situ Un análisis clásico de los esfuerzos generados por la tronadura es la teoría del precorte. Este es un método con el cual se busca generar Sin embargo el análisis anterior es válido una fractura continua con la forma final de la para un macizo rocoso continuo, homogéneo, labor (talud o socavón) por medio de isótropo, linealmente elástico, sometido a un explosivos, en ausencia de una cara libre bajo campo de esfuerzos in situ y de poca local. Como se puede ver en la figura 10, se anisotropía. En el caso que existan esfuerzos tienen dos barrenos de precorte, A y B. El in situ de gran magnitud, la dirección CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 7 GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS preferente de fracturamiento estará dada por variables operacionales en su diseño, sino la superposición de los esfuerzos generados que además debe incluirse el estudio de la por los barrenos A y B más el estado de relación que existe entre los esfuerzos esfuerzos in situ. Generalmente en estos casos generados por la liberación de la energía de la la dirección preferente de fracturamiento es tronadura con los esfuerzos in situ e en la dirección del esfuerzo principal menor inducidos por la excavación, en el sector en el (in situ ) 3. También en situaciones en que cual se implementará el diseño. Una obra exista foliación de la roca, como en el caso de minera que ha sido diseñada con un factor de las pizarras y algunas rocas afectadas por seguridad dentro de los rangos de metamorfismo dinámico, presentan una aceptabilidad establecidos puede volverse dirección preferente de debilidad, por inestable o colapsar si en el diseño no se consiguiente de generación de fracturas, en la incluye el efecto dinámico de la tronadura, o dirección de la foliación, que también sea, los esfuerzos que ella genera sobre las coincide con la dirección de menor resistencia obras minera. a los esfuerzos. Con esta discusión se pretende mostrar el efecto de los esfuerzos, Por otra parte, se ha mostrado la íntima tanto in situ como inducidos por la tronadura relación entre la geomecánica y la tronadura y la anisotropía de los materiales en el diseño para obtener diseños que cumplan criterios de tronaduras, sobre todo en aquellas que de aceptabilidad acorde a las políticas de la tienen por finalidad el minimizar el daño a empresa minera, y que además permitan las labores, como es el caso del precorte. minimizar costos en estabilidad y fortificación, haciendo el negocio minero más 7. CONCLUSIONES rentable. Se mostró algunas de las variables de la tronadura que afectan directamente a En el presente trabajo se mostró los aspectos los diseños geomecánicos y variables fundamentales de la geomecánica que deben geomecánicas que condicionan el diseño de la ser considerados en el diseño y control de tronadura. No es posible, en la industria una tronadura. Es necesario que el diseñador minera en particular, sacrificar un buen geomecánico tome en consideración estos diseño geomecánico por una mala tronadura, aspectos a fin de incluir resguardos en los con el fin de minimizar costos a corto plazo, diseño respecto a la variabilidad de los puesto que en el largo plazo estos costos resultados obtenidos en la tronadura. Esto es serán mayores que el ahorro logrado. fundamental en la construcción de obras mineras en sectores particularmente difíciles, 8. REFERENCIAS como taludes con familias estructurales que definan inestabilidades, que comprometan el talud global o interrampa, en el caso de la [1] Brady B.H.G., Brown E.T., Rock Mechanics minería a rajo abierto. for Underground Mining. Chapman & Hall 1994. Problemas frecuentes en la minería, tales [2] Gokceoglu C. et al. Predicting the como la sobrexcavación sistemática, pueden deformation moduli of rock masses ser por lo menos minimizados controlando la International Journal of Rock Mechanics implementación en terreno del diseño de and Minning Sciences N° 40, 2003. gabinete. Se ha mostrado en este trabajo que [3] Hoek. E., Carranza-Torres C., Corkum B., no controlar este aspecto puede comprometer Hoek-Brown Failure criterion 2002 Edition. gravemente el diseño geomecánico del sector, Procedente de la North American Rock aumentando los costos de producción de la Mechanics Society Meeting Toronto, faena minera, lo que se puede evitar de existir Canada, 2002. el debido control en terreno. [4] Instituto Geominero de España, Manual de Perforación y Voladura de Rocas. Madrid La tronadura no sólo involucra términos de 1994. granulometría, daño por vibraciones y CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 8 GRUPO DE TRONADURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS [5] Karzulovic A., Tronadura y geomecánica hacia la Optimización del negocio minero. Presentación del 5° seminario Dyno Nobel, Antofagasta, Julio 2001. [6] Katsabanis T., Vibration, Procedente del Departament of Minning Engineering, Queen’s University. [7] Overt & Duvall Rock mechanics and the design of structures in rock. J. Wiley & Sons. 1967. [8] Persson P., Holmberg R., Lee J., Rock Blasting and Explosives Engineering. CRC Press., U.S.A. 1994. CÁTEDRA DYNO CONSULT – USACH DE VOLADURA DE ROCAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE 9