sobreperforacion

FIGMMGoSWaldooRtizSnCHezet al.

Revista del Instituto de Investigaciones FIGMMG

Vol. 11, N 21, 85-94 (2008) UNMSM

ISSN: 1561-0888 (impreso) / 1628-8097 (electrnico)

Recibido: 25 / 11 / 2007, aceptado en versin final: 19 / 12 / 2007

Incremento de la rentabilidad de operaciones mineras a cielo abierto por eliminacin de la sobreperforacinOpEN pIT MINING OpERATIONS REVENUE INCREASE BY SUB DRILLING REMOVAL Oswaldo Ortiz Snchez*, Godelia Canchari Silverio*, Alfonso Postigo Pinedo*

RESUMEN La sobreperforacin en la malla de perforacin de produccin en minera superficial puede reducirse o eliminarse mediante el uso de cmaras de aire en el fondo de los taladros de produccin. La eliminacin de la sobreperforacin incrementar la rentabilidad de las operaciones mineras superficiales debido a: menor costo de perforacin y voladura, disminucin de las vibraciones dentro y fuera del tajo, mayor estabilidad en bermas y taludes, incremento de la productividad de los equipos de perforacin, carguo, acarreo, y chancado por mejora en la fragmentacin del mineral de mina. Las pruebas efectuadas en una cantera de caliza con roca de dureza media demuestran la factibilidad del mtodo. Palabras claves: sobreperforacin, cmara de aire, onda ssmica, fragmentacin. ABSTRACT The Sub drilling length in surface mining production drilling grids, can be reduced or eliminated by addition of air chambers at the bottom of drill holes in blasting rounds. Sub drilling removal means surface mine operations revenue increase due to lower drilling and blasting costs, seismic vibrations decrease at inside and outside excavation areas, stable berms and slopes, productivity increase of drilling, loading, excavation, haulage and primary crushing equipment due to better ore fragmentation. The method was satisfactorily tested in a medium hardness rock at a quarry operation. Key words: sub drilling, air chamber, seismic wave, fragmentation.

I.IntRoduccIn En la malla de taladros de produccin de una operacin minera superficial, la sobreperforacin es parte del taladro de perforacin y su uso es necesario para evitar o reducir al mnimo los pisos altos en los frentes de avance de los bancos y para mejorar el rendimiento del equipo de excavacin, facilitando la operacin segura y eficiente del cargador y del transportador. Todo taladro de produccin lleva en el fondo como sobreperforacin, entre 8 a 12% de su altura neta de rotura o altura de banco.*

No obstante, la sobreperforacin incrementa los costos de perforacin y voladura debido a la mayor longitud perforada y explosivo adicional requerido, produce alta vibracin ssmica por mayor carga explosiva detonada, desestabiliza las bermas y el talud general y se genera prdida de eficiencia en el equipo de perforacin porque requiere mayor tiempo de perforacin para atravesar la altura perturbada J del banco inferior.

Docentes de la EAP de Ingeniera de Minas, Facultad de Ingeniera Geolgica, Minera, Metalrgica y Geogrfica, Universidad Nacional Mayor de San Marcos. E-mail: [email protected]

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FIGMMGinCRementodelaRentabilidaddeoPeRaCioneSmineRaSaCieloabieRtoPoReliminaCindelaSobRePeRfoRaCin

II.oBJetIVo Eliminar la sobreperforacin del taladro de produccin y del explosivo que ella lleva. Esto resultar en menor costo de perforacin y voladura, originando, adems, otros beneficios como: Eliminacin de pisos altos en los frentes de avance del banco. Incremento de la estabilidad de taludes de progreso y del talud final por disminucin de la perturbacin del frente de avance y de la intensidad de vibracin del disparo. Eliminacin del fracturamiento de la cresta y piso del banco inferior, incrementando el rendimiento del equipo de perforacin. Disminucin de ruido, polvo y vibraciones en el rea. Mejoramiento de la fragmentacin del material disparado.Figura N 1. Malla de perforacin para voladura de produccin. a). Vista en 3 dimensiones. b). Vista en plano (una fila de taladros).

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III.JustIFIcAcIndelestudIo En el Per se perforan y disparan anualmente en las operaciones a cielo abierto, ms de 460 millones de toneladas de mineral y estril que requieren un mnimo de 1.1 millones de metros de sobreperforacin y 36 millones de kilos de explosivos a un costo total de US $ 26 millones en gastos por sobreperforacin. La eliminacin de la sobreperforacin ser un avance significativo en la economa y seguridad de las operaciones mineras superficiales. Originar otros beneficios como mayor estabilidad de taludes, menores niveles de vibraciones, ruido y polvo, pisos estables sin roturas, lo que permitir incrementar la

velocidad de perforacin, bermas con crestas estables que incrementar el ngulo de los taludes finales y de progreso. Mantendr pisos horizontales y a nivel en frentes de avance, mejorar la fragmentacin del material y reducir el movimiento ascensional de la masa rocosa disparada, evitando tiros cortados. IV.sItuAcInActuAldelAPeRFoRAcIn La fig. N 1 presenta la configuracin actual de la perforacin de banqueo en una operacin minera superficial. Los taladros, generalmente, son verticales y se ubican en los vrtices de la malla de diseo. La sobreperforacin J se corre debajo del nivel del banco.

Figura N 2. a). Pie de banco compresionado. b). Variacin del VOD con la distancia.

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4.1.lasobreperforacin:solucindeficiente Se introdujo para evitar pisos altos y desiguales y mejorar la fragmentacin. Pisos altos y mala fragmentacin dificultan disparos posteriores e incrementan los costos de carguo y acarreo. Pisos altos son causados entre otros, por confinamiento del pie de banco (fig. N 2a). Para romper este piso, debe agregarse ms energa (presin de detonacin pe.), o ms volumen de explosivos para lo cual se prolonga el taladro por debajo del piso del banco. Hustrulid (1999) indica que la longitud J de sobreperforacin, debe ser igual a la distancia en que el VOD del explosivo alcanza su mximo nivel estable desde su punto de detonacin (fig. N 2b). La presin de detonacin pe es proporcional al cuadrado de la velocidad de detonacin (pe a (VOD)2 y en la curva de la fig. N 2b este nivel mximo estable segn Langefors y otros (1963), se alcanza a una distancia mnima de 6D donde D es dimetro del taladro. Por seguridad se agrega 2D con lo que se tiene:

V.PRocedIMIentodelAnlIsIs 5.1.MetodoloGA El trabajo se inici con la revisin bibliogrfica sobre la materia no encontrando informacin especfica sobre la eliminacin de la sobreperforacin, excepto un intento efectuado en un tajo a cielo abierto y cuyos resultados no han sido publicados. 5.2.FundAMentodelsIsteMA La posibilidad de eliminacin de la sobreperforacin con ventaja tcnica y econmica se origina del conocimiento de la accin de cmaras de aire en taladros de perforacin de produccin, Ash (1995). La fig. N 5a presenta el arreglo actual de un taladro de produccin y la fig. N 5b es el mismo taladro sin sobreperforacin y con una cmara de aire de longitud ca en el fondo que acta como superficie libre. En el disparo de bancos en superficie, la onda generada por la detonacin del explosivo en un taladro puede asumirse en forma triangular. Al llegar a la interfase, la onda se refleja aplicndose la teora de las ondas generadas por cargas cilndricas o esfricas,

J = 8D.Como BaD investigadores como Calvin (1995), encontraron que B = (25 35)D, por lo que J = (0,23 0,32)B adoptndose J = 0,3B como valor tpico universal. 4.2.consecuenciasnegativasdelasobreperforacin J. a) Se producen daos en crestas, pisos de bancos y bermas de proteccin (figs. N 3 y 4). b) Se acenta el movimiento vertical en el taladro, incrementando los tiros cortados y el exceso de rotura en taludes y cresta de bancos. c) Se incrementa las vibraciones, el ruido y polvo en el rea de influencia. d) Obliga a disminuir el ngulo del talud.

Figura N 3. Piso elevado y desigual. Daos en cresta de banco.

Figura N 4. Daos en cresta y berma debido a sobreperforacin


pero por simplicidad puede aceptarse que se trata de una onda plana que viaja en un medio homogneo. La onda incidente se caracteriza por ser compresiva y la reflejada tensiva. El proceso de reflexin se muestra en la fig. N 6. La onda compresiva incidente, segn Hustrulid (1999), incide en la cara libre (interfase), a ngulos entre 0 y 90 y se refleja totalmente como una onda de tensin que viaja a velocidad c de vuelta hacia el punto de origen. Si la tensin (t) es superior a la resistencia tensiva de la roca, sta se desprender en fragmentos inicindose la accin en el punto donde la suma de las amplitudes de la onda reflejada e incidente iguala la resistencia a la tensin de la roca. La fig. N 7 muestra el resultado inicial de la detonacin del explosivo en el taladro, compuesto por deformacin radial y fracturas radiales alrededor del taladro. La fig. N 8 presenta la onda ssmica incidente y reflejada entre 0 y 90 con la interfase. La fig. N 9 muestra la onda incidente compresiva y la reflejada tensiva en relacin a la extensin de la fractura. Se generan dos ondas: Longitudinal y de corte. Por simplicidad solo se analiza la componente longitudinal cuya reflexin se considera que sigue la ley de Snell en ptica que establece que el ngulo de incidencia = ngulo de reflexin . La onda incidente compresiva se convierte en onda reflejada tensiva. Esta onda segn Roberts y otros (1954), viaja a una velocidad 3 veces mayor que la velocidad de crecimiento de la fractura que se inicia en el taladro y avanza por accin de la presin de los gases. Esto origina que la onda reflejada alcance a la fractura antes de que sta llegue a la superficie libre. Si la onda toca el extremo creciente de la fractura, acelerar el desarrollo de la misma. En la fig. N 10, puede estimarse esta distancia de encuentro de la onda con el extremo creciente de la fractura: g +h = B/cos (1 +cos 2 ) En la fig. N 11 se presenta un arreglo en que la componente radial o tensiva de la onda reflejada acta a favor del incremento de la fractura. VI.AccIndelAcMARAdeAIRe En la fig. N 5b se presenta la ubicacin de la cmara de aire en el taladro de produccin. La fig. N 12 muestra las variables numricas de las pruebas efectuadas en taladros de una cantera de caliza. Los resultados observados al suprimir la sobreperforacin J son los siguientes: La cmara de aire almacena energa y crea una fractura que se expande horizontalmente hacia los taladros vecinos.

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La energa se trasmite al medio y las ondas tensivas o reflejadas colisionan con las incidentes o compresivas que emite la detonacin. Las ondas reflejadas se propagan en gran cantidad en forma de ondas de choque secundarias. Las ondas reflejadas ascendentes hacen desviar a la corriente detonante, hacia el fondo y costados

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Figura N 5. Taladros para voladura en bancos de produccin. a). Taladro con sobreperforacin. b). Taladro sin sobreperforacin y con cmaradeaire

Figura N 6. Estados de la onda ssmica en su viaje de reflexin en la interfase.


Figura N 7. Accin inicial de la denotacin del explosivo en el taladro.

Figura N 8. Onda ssmica a ngulo inferior a 90 en interfase: a). Incidente. b). Reflejada

Figura N 9. Componentes del esfuerzo, originados por la onda ssmica incidente y reflejada a 90 y su relacin con la extensin de la fractura.

Figura N 10. Geometra de la onda reflejada. Incrementa longitud de fractura orientada a la superficie libre.

Figura N 11. Incidencia de la onda reflejada en el frente de avance de la fractura orientada.

Figura N 12. Diseo de taladros con sobreperforacin y sin sobreperforacin en una cantera de caliza.

del macizo rocoso adyacente. Otras ondas de choque se propagan por las fracturas horizontales ya formadas en el fondo del taladro, creando un precorte a nivel del piso en todos los taladros cercanos. En el fondo del taladro la cmara de aire acta como cara libre semiconfinada que equilibra la presin y orienta la detonacin hacia la base del taladro. El taco bloqueador protegido con 50 cm de detritus (fig. N 15), encabeza la onda detonante que viaja al fondo del taladro. Las ondas compresivas se reflejan al penetrar el cambio de medio formado por la fractura horizontal en el fondo del taladro. Las ondas de compresin se reflejan con mayor intensidad en forma de ondas de tensin. Estas ondas trituran el material rocoso y se reflejan de vuelta a la formacin y al mismo tiempo

interaccionan con ondas de tensin de taladros vecinos originando ms tensin (fig. N 13). Una gran densidad de ondas se reflejan propagndose al medio a causa de la interaccin entre ondas de taladros colindantes.

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Figura N 13. Interaccin de taladros con cmara de aire en el fondo.


VIII.PRueBAsdecAMPo Para estas pruebas se dise una forma que lleva el nombre de Levantamiento de datos de campo donde se registran los datos de entrada y los resultados. Se compara la operacin actual sin cmara de aire con sobreperforacin, con el nuevo mtodo con cmara de aire (sin sobreperforacin). Se registran ambas informaciones en el mismo tipo de formato. La fig. N 18 presenta los detalles del formato llenado para mallas de perforacin con cmara de aire. Los disparos se efectuaron en caliza de dureza media.Figura N 14. Tapn bloqueador de taladro de produccin: a). Tapn. b). Ubicacin del tapn en el taladro.

Figura N 16. Diseo de bolsa de aire para bloquear taladro de produccin. Figura N 15. Taladro de produccin cargado en el sistema con cmara de aire.

VII.BloQueAdoRdetAlAdRo Es un dispositivo que impide el paso del explosivo al fondo del taladro formando la cmara de aire de altura variable. Se dise dos tipos de bloqueador de taladro: a) Sistema mecnico que consiste en un depsito de plstico y cordn de suspensin. Las fig. N 14 y 15 presentan los detalles para un taladro de 63/4 pulg. de dimetro. b) Sistema neumtico que consiste en una bolsa plstica resistente con vlvula para el llenado de aire, tubo plstico para el aire a presin y equipo de suministro de aire. Las fig. N 16 y 17 presentan los componentes del sistema y detalles de clculo.

Figura N 17. Sistema de inflado de bolsa de aire.

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Con el dimetro del taladro fijo se establece la altura ptima de la cmara de aire mediante pruebas graficando los resultados Altura de cmara vs. Eficiencia de voladura. 8.1.Malladeperforacin Las caractersticas de las mallas de perforacin de produccin son las siguientes: Sistema tradicional de disparo en la cantera Atocongo: Malla de 5 x 5.50 m sin cmara de aire, consobre perforacin de 2 y 11 m de carga explosiva para taladros de 6 pulg. de dimetro. Factor de potencia 0.22 kg/tm. Sistema en prueba: Malla de 5 x 5.50 m, 2 m de sobreperforacin cmara de aire de 1 m en la base del

taladro. Taladro de 6 pulg de dimetro y factor de potencia 0.18 kg/tm. Sistema en prueba: Malla de 5 x 5.50 m, 2 m de sobreperforacin cmara de aire de 1 m en la base del taladro. Taladro de 6 pulg. de dimetro y factor de potencia 0.18 kg/tm. El diseo del taladro con cmara de aire se inici con el clculo del RMR (caracterstica geomecnica de la masa rocosa), que permiti clasificar las reas en caliza blanda, media y dura. Se calcul las constantes de la roca en forma directa e indirecta. La tabla N 1 presenta los detalles y la tabla N 2 muestra los estndares de perforacin y voladura para la caliza Atocongo.

Tabla N 1. Constantes y clasificacin de la caliza. Tipo caliza smbolo Blanda Media Dura 0.1 0.2 0.3 m. 18 20 23 c((Mpa) t(Mpa) E(Gpa) 96 105 140 30 48 53 V 0.26 0.26 0.26 C(Mpa) 0.30 0.50 0.60 38 40 47 RMR 45 65 74

Leyenda: c y t = resistencias a la compresin y tensin, respectivamente; V = mdulo de Poisson; C = cohesin; = ngulo de friccin interna; E = mdulo de elasticidad; RMR = calificacin de la masa rocosa.

Tabla N 2. Variables de perforacin y voladura para taladros con sobreperforacin Tipo Caliza Blanda Media Dura Cdigo 001 002 003 Burden (m) 5.5 5.0 5.0 Espacminto (m) 5.5 5.5 5.0 S/P (m) 2.0 2.0 2.0 F. de P. (kg/ton) 0.19 0.22 0.24 Prof. Tal. (m) 16 16 16 Colum.Expls. (m) 11 11 11 Taco (m) 5 5 5

Explosivo: ANFO, dimetro de broca: 6 pulg., altura de banco: 14 m, densidad de caliza in situ: 2.60 ton/m3

Tabla N 3. Pruebas de voladura para eliminar la sobre perforacin en disparos de produccin.

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Figura N 18. Registro de datos de entrada y de resultados en taladros con cmara de aire. Diseo Propuesto.

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IX.PRueBAsdeVolAduRA La tabla N 3 muestra las pruebas de voladura ejecutadas y las proyectadas para establecer la altura ptima de la cmara de aire. 9.1.Resultados Los disparos se evaluaron siguiendo el avance del equipo de carguo, y tomando nota del tiempo de carguo, fragmentacin y nivel del piso. Material: Caliza de dureza media. Equipo de carguo: Cargador frontal Cat 992 de 12 yd3. Explosivo: ANFO normal. Disparo N 1460. Situacin Inicial (con s/p. y sin cmara de aire) Nivel 176E Malla mxm 5 x 5.5 Factor de carga mm 0.22 Dim. de broca 171 -

permite configurar la cmara de aire para un mismo dimetro de taladro. Antes del diseo de perforacin se efecta un mapeo geolgico de detalle en los frentes de avance y taludes de progreso. La informacin sobre velocidad de penetracin del banco superior se proyecta al banco inferior. Los pisos altos se identifican con curvas de nivel a intervalos de 30 a 60 cm. En los bancos se ubican las zonas de alteracin que luego se proyectan a lo largo de las estructuras predominantes. Las performances del cargador y del perforador a medida que avanza la extraccin en el frente, ayudan a calificar la dureza del material.

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Observaciones Columna explosiva: ANFO con activador de 1 lb. Cordn detonante N 5

Situacin probada (con cmara de aire) Nivel 176E Malla mxm 5 x 5.5 Factor de carga 0.18 Diam. de broca mm 171 Observaciones Se cargaron con tapn 6 de 30 taladros. Se disminuy un metro la carga explosiva y se mantuvo 2 metros de s/p.

Situacin actual Nivel Inicial Tapn 176E 176E Roca Caliza Tiempo Carguo Seg. 185 180 Nivel 176E 176E F. de C. 0.22 0.18 Roca Caliza Cota m 180.2 179.8 Fragmentacin D

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