Perfeccionamiento de los trabajos de perforación y voladura en la cantera Los Caliches, Cuba

RESUMEN

Durante trabajos de perforación y voladura en los que se utiliza una serie de cargas es necesario buscar formas de elevar el grado de fragmentación de los macizos, sobre todo en las rocas más fuertes. Uno de los métodos más efectivos para elevar el grado de fragmentación es la explosión microretardada, que consiste en la explosión sucesiva de una serie de cargas con intervalos de milésimas de segundo entre ellas. Este método se utiliza mucho en las canteras cuando se tienen varias filas de carga y también en el laboreo de excavaciones subterráneas.

El presente trabajo expone las modificaciones propuestas para lograr el perfeccionamiento de los trabajos de perforación y voladura que se están realizando actualmente en la cantera "Los Caliches" con el objetivo de disminuir la obtención de rocas sobredimensionadas durante la fragmentación del macizo rocoso para su posterior trituración y clasificación.

Los parámetros controlables fueron calculados por el método sueco en combinación en algunas partes por el método de Konya. Además se utilizó la ecuación de Cunningham para pronosticar la granulometría media obtenida de la voladura.

Se pudo demostrar a través de voladuras de prueba que los parámetros propuestos en este trabajo ofrecen resultados satisfactorios.

Palabras clave: Voladura, perforación, línea de menor resistencia, relleno, sobreperforación, granulometría media (X50), método sueco.

ABSTRACT

In the drilling and blasting operations where a series of explosive charges are applied it is necessary to search for the ways of elevating the degree of fragmentation of the rock mass. At all in hard rocks, one of the most effective methods to elevate the degree of fragmentation is the micro-delay explosion. Which consists of the explosion of the consecutive explosive charges with intervals of thousandth seconds within them. This method is mostly applied in quarries and in the construction of underground excavations. This same work presents the modification of the drilling and blasting parameters that are currently applied in the quarry named "Los Caliches" with the purpose of reducing the obtention of over-dimension rocks during the fragmentation of the rock mass with explosives, later for further crashing and classification. The controllable parameters were calculated by Swedish method in combination with Konya"s method in same cases. In addition, the equation for Cunningham was used to prognosticate the medium fragmentation size the outcome of blasting.

The blasting test, demonstrated that the proposed parameters in this work offers satisfactory results.

Keywords: Blasting, drilling, burden, steaming, sub-drilling, medium size (X50), Swedish method.

INTRODUCCIÓN:

En las canteras y minas a cielo abierto donde se emplean voladuras para el arranque de las rocas, el costo global y la eficiencia general de los procesos tecnológicos dependen de la calidad con que se desarrollen los procesos de perforación y voladura. El costo de los procesos tecnológicos de excavación-carga del mineral fragmentado y su transportación disminuye considerablemente con el incremento de la calidad de la fragmentación de las rocas. Este parámetro es considerado como uno de los factores más importantes en las canteras porque tiene un efecto directo en la eficiencia y el costo de perforación y voladura. La fragmentación de las rocas depende de dos grupos de variables: las propiedades físico- mecánicas del macizo rocoso, sobre las cuales los especialistas no tienen acción; los parámetros de perforación y voladura, aspectos que si pueden ser controlados y optimizados y las propiedades de las sustancias explosivas empleadas.

El costo total de la producción del árido en las canteras alcanza su valor mínimo cuando se obtienen resultados óptimos en la fragmentación (Mackenzie, 1967; Morin y Ficarazzo, 2005). El control sistemático de los parámetros de perforación y voladura conllevará la obtención de los resultados óptimos durante el proceso de fragmentación de las rocas con voladuras por parte de la empresa de material de construcción.. Los problemas más frecuentes durante la ejecución de voladuras generalmente se presentan como resultado de su diseño deficiente a partir de una evaluación incorrecta de las propiedades del macizo rocoso, de la deficiente ejecución de la perforación además del incumplimiento del esquema de carga diseñado. Los parámetros de diseño tales como: línea de menor resistencia, relleno, sobreperforación, espaciamiento y tiempo de iniciación deben ser calculados cuidadosamente para que una voladura se ejecute de manera eficiente, segura y con niveles de vibración y golpes de aire aceptables.

La resistencia de un macizo rocoso puede variar en pequeña o gran escala, dependiendo de su estructura geológica. Las juntas, estratos, fallas y capas de lodo pueden causar diversos problemas. Estas variaciones en la estructura del macizo requieren que el responsable de la ejecución de las voladuras varíe sus diseños y métodos para obtener los resultados esperados. Por lo tanto, se debe determinar sobre la base de indicadores superficiales, cómo variara la roca en planos más profundos.

Las perforaciones para la realización de las voladuras proveen información acerca del tipo de estructura rocosa que va apareciendo en las capas más profundas, ello permite al ejecutor de las voladuras realizar juicios objetivos que le permitan incluir ajustes a su diseño de voladura considerando los cambios en la estructura del macizo rocoso.

El especialista responsable de esta actividad debe poseer un conocimiento amplio acerca de la acción de los explosivos en el macizo durante la voladura, sin ese conocimiento, las voladuras se convierten en un proceso aleatorio de prueba y error.(Konya, 1990b).

Situación problémica:

La extracción de los áridos y otros materiales de construcción naturales se realiza a través de dos modos de explotación: el modo de explotación subterránea y el modo a cielo abierto. A pesar de que se puede hablar de dos tipos de canteras, subterráneas y a cielo abierto las últimas han obtenido la mayor difusión. La elección del modo de explotación depende entre otros factores de la profundidad a que se encuentra ubicado el yacimiento en el macizo rocoso y sus características físicas y geológicas. Los métodos de arranque que se emplean son métodos mecánico y con perforación y voladura. La selección del método de arranque depende de las características físico-mecánicas de las rocas.

En la cantera "Los Caliches" se emplea el modo de explotación a cielo abierto y el método de arranque utilizado es el de perforación y voladura. Durante el empleo de este método la mayor influencia en el incremento de los costos la ejerce el proceso de perforación, el valor de las sustancias explosivas y los medios de explosión. Para minimizar los gastos que trae consigo este método de arranque se deben controlar muy bien los parámetros del pasaporte de perforación y voladura para disminuir hasta niveles permisibles la salida de rocas sobredimensionadas y a su vez minimizar el costo de arranque.

En el caso del yacimiento "Los caliches" el volumen de rocas sobredimensionadas obtenido durante el arranque con voladura sobrepasa ampliamente el 10 %, valor considerado elevado en las condiciones de trabajo actuales.

Problema Científico

Necesidad de perfeccionar los trabajos de perforación y voladura para disminuir la obtención de rocas sobredimensionadas en la cantera "Los Caliches".

Objeto de la investigación

Cantera de materiales de construcción "Los Caliches".

Campo de acción

Fragmentación de las rocas con voladuras.

Objetivo general

Perfeccionar los parámetros de perforación y voladura en la cantera "Los caliches" para disminuir la obtención de rocas sobredimensionadas.

Hipótesis

Si se conocen las propiedades físico-mecánicas, la característica estructural del macizo rocoso del yacimiento "Los Caliches", las características de la sustancia explosiva y la acción de la explosión en el medio, entonces es posible perfeccionar los trabajos de perforación y voladura a partir del reajuste de su diseño para disminuir la obtención de las rocas sobredimensionadas.

Objetivos específicos

· Determinar las propiedades físico-mecánicas de las rocas y la característica estructural del macizo en el yacimiento "Los Caliches".

· Evaluar el pasaporte de perforación y voladura empleado actualmente.

· Crear un programa computacional para calcular los parámetros del pasaporte de perforación y voladura.

· Realizar un análisis comparativo de rocas sobredimensionadas del pasaporte actual y el pasaporte de prueba.

· Realizar una valoración económica preliminar del pasaporte.

· Validar el pasaporte de perforación y voladura.

Aporte de la investigación

Se establece la causa que provoca la obtención de rocas sobredimensionadas después de las voladuras y los parámetros que influyen en el diseño del pasaporte de perforación y voladura. Elaboración del software para el cálculo del pasaporte de perforación y voladura a partir de la ejecución de un programa de computación especializado escrito en lenguaje de programación Visual Basic .net.

Proceso de investigación científica

Para el cumplimiento de este trabajo se establece el proceso de investigación científica que consta de trabajos de campo, toma de muestras y el análisis de los resultados trabajo de gabinete.

Todas estas labores se realizan en una determinada secuencia, las cuales constituyen el procedimiento para la realización de la investigación. Esta investigación tiene cuatro etapas, la primera comprende del estudio del estado actual del tema, la segunda trata de la ubicación del área de trabajo y el estudio de los parámetros incontrolables que influyen en los trabajos de perforación y voladura. La tercera etapa se refleja en la secuencia mostrada en la figura I.

Tercera Etapa

En esta etapa se realiza el perfeccionamiento de los trabajos de perforación y voladura. Además, se pronostica la granulometría media (X50) que se obtendrá a partir del pasaporte diseñado por el modelo Kuz-Ram y se automatiza el cálculo del pasaporte de perforación y voladura y se validan los resultados.

Cuarta Etapa

En esta etapa se realiza el cálculo económico en general y los efectos ambientales.

Figura 1: Estructura básica del modelo para perfeccionar el pasaporte de perforación y voladura

CAPÍTULO 1.

ESTADO ACTUAL DEL TEMA

1.0 Introducción

Las operaciones de arranque del material de construcción de la cantera "Los Caliches" de la empresa MÉDANO, se efectúan mediante procesos de perforación y voladura. Actualmente se realizan de cuatro a cinco voladuras al mes, siendo esta actividad indispensable para el desarrollo de la minería en el yacimiento. Actualmente los pasaportes de perforación y voladuras utilizados fueron diseñados considerando ciertos parámetros y tomando en cuenta las características del yacimiento para realizar voladuras con dos o tres explosivos específicos. Los trabajos de perforación y voladura son contratados a la empresa EXPLOMAT la cual realiza las labores de arranque.

1.1 Antecedentes Nacionales

La empresa EXPLOMAT posee como misión realizar voladuras con la calidad requerida, tiene establecido un sistema de gestión de la calidad para realizar voladuras que cumplan con las exigencias planteadas en su "procedimientos para la voladura". Esto procedimiento plantea que el especialista de operaciones de la empresa en conjunto con el especialista o técnico de las UEB que brinda el servicio de voladura deben controlar la realización del proceso (Guerrero, 2012). El control del servicio de voladura se debe realizar mediante las siguientes políticas:

· control de la calidad del servicio de barrenación como paso previo al servicio de voladura (pasaporte de barrenación);

· control del cumplimiento del pasaporte de barrenación-voladura;

· control y determinación de la cantidad de explosivo y medios de explosión necesarios para cada servicio de voladura;

· evaluación del resultado de la voladura;

· medición de la eficacia del proceso con periodicidad.

La práctica diaria demuestra que esto procedimiento no se cumple totalmente y por ello los resultados de la fragmentación presentan la calidad requerida y la presencia de rocas sobredimensionadas superan ampliamente el 10%. (Vázquez, 2013), Los trabajos de perforación son realizados a partir de las orientaciones de la dirección administrativa y el técnico de la cantera como establece el contrato vigente sostenido con los artillero y la empresa Explomat, de nuestra parte no se tiene una copia de la documentación topográfica actualizada de la cantera y del plan de minería, restando de esta manera el conocimiento acerca de la altura real de los bancos de explotación, por lo que consideramos que en ocasiones se han realizado trabajos de perforación desconociendo las alturas reales del banco y la profundidad que deben tener los barrenos a perforar, lo que ha provocado incorrecciones en la operación de perforación de las rocas y la aparición de repiés en el piso de los bancos, además de taludes irregulares y convexos, como se puede apreciar en la figura 1.0.

Foto 1.0 Repiés en los bancos de la cantera "Los Caliches"

1.2 Errores cometidos en los trabajos actuales en la ubicación de los taladros durante la perforación

Considerando los parámetros establecidos por las empresas MÉDANO y EXPLOMAT en el diseño de pasaporte de perforación y voladura, existe una deficiencia a la hora de llevarlos a la práctica en el macizo rocoso, es decir los parámetros que se presentan en los informes de explotación y el pasaporte realizado por el técnico en la cantera no son considerados por el carretillero a la hora de realizar la perforación y la carga del explosivo en general. Además, por la falta de piezas de repuesto cuando hay un fallo técnico con la carretilla barrenadora Atlas–Copco, entonces se cambia el diámetro de la carga y de perforación.

Figura 1.1 Ubicación de los taladros en el banco

Como se puede ver en la figura 1.1, la ubicación de los taladros afectó la distribución de la energía en la voladura que se realizó, es decir que la energía no fue uniformemente distribuida lo que provocó el aumento de la obtención de rocas sobredimensionadas como se puede ver en la figura 1.2 a continuación.

Otro error que ocurre con frecuencia durante la ejecución de las voladuras es la ubicación de los taladros en el extremo del frente figura 1.3, en estos casos es habitual que la línea de menor resistencia hacia este lado supere en varias veces (3-4) la magnitud calculada y los resultados de la fragmentación presenta repiés y gran volumen de rocas sobredimensionadas. Los resultados se pueden apreciar en la figura 1.2.

Figura1.2 Voladura en banco con una esquina

Figura 1. 3 La representación de la figura

En la cantera también existen deficiencias con el desarrollo minero porque toda el área que se había solicitado para la concesión minera ha sido explotada, lo que traje consigo la dificultad de la ubicación de la carretilla barrenadora modelo Atlas–Copco durante la barrenación.

Durante la carga de sustancias explosivas a granel, los artilleros no observan estrictamente las medidas diseñadas por su empresa, es decir, cuando se están cargando los taladros se debe comprobar el ascenso de la carga de sustancia explosiva a granel, porque cuando no se comprueba, pueden suceder dos cosas: los taladros se llenan hasta la boca o sucede lo contrario: cuando hay una caverna en el taladro que se está cargando, los taladros no se llenan hasta la profundidad diseñada; entonces para evitar el llenado hasta la boca, los artilleros empiezan a sacar un poco de sustancia explosiva para que puedan tener una longitud de relleno y por la falta de la barrenación diseñada también resulta que la sustancia calculada para realizar la voladura se sobrepasa. Además, cuando no hay existencia de cavernas los artilleros riegan la sustancia explosiva por encima del banco, lo que trae consigo el aumento en el costo de producción, la formación de ondas aéreas y rocas en vuelo etc.

Errores de perforación

Durante la perforación de los taladros los trabajos se efectúan con errores su inclinación, distancia entre filas, línea de menor resistencia, distancia entre taladros y la profundidad de metros perforada, como se aprecia en la figura 1.4 a continuación.

Figura 1.4 Errores en la perforación de los taladros

1.3 Antecedentes internacionales

Los parámetros que afectan la fragmentación óptima en los trabajos de perforación y voladura en cantera también fueron estudiados por los siguientes autores a nivel internacional para disminuir la obtención de rocas sobredimensionadas y el costo al unísono.

(Konya, 1990a) En este trabajo se realizó el estudio de todos los parámetros que integran el diseño del pasaporte de perforación y voladura dentro de los cuales se comprendió que para poder evaluar un plan de voladura, este debe tomarse por parte y cada variable debe ser evaluada. En el mismo se propuso un procedimiento fácil de entender para el análisis de un plan de voladura. Además, se examinaron los métodos para determinar si las variables de diseño están en los rangos normales aceptados.

(Rajpot, 2009) En este trabajo de maestría el modelo fue desarrollado para calcular los parámetros del diseño de voladura y los costos considerando el 80% de los fragmentos que tiene que llegar a las operaciones de trituración.

(Ayabaca, 2010) En este trabajo se realizó un estudio sobre el tipo de roca y las características geológicas, las propiedades físico-mecánicas de la roca y el volumen de rocas a arrancar. Además, se hizo un análisis de los trabajos de perforación y voladura en canteras, aparte de eso se estudiaron también las propiedades de las sustancias explosivas empleadas en estos trabajos, su sistema de iniciación y los parámetros de dimensionamiento de voladuras.

(Martínez, 2012) En este artículo se presentó el análisis y el diseño de la operación de perforación y voladuras en minería de superficie empleando el enfoque de la programación estructurada. El propósito de este trabajo era crear una interfaz, por medio de la cual se ingresan la densidad del explosivo, diámetro e inclinación de la perforación, resistencia a la compresión de la roca y dimensiones del banco. Luego se obtiene el valor de las variables más importantes que acondicionan el diseño de la operación de perforación y voladuras, tales como: altura del banco.

CAPÍTULO 2.

CARACTERIZACIÓN INGENIERO-GEOLÓGICA DE LA CANTERA

2.0 Introducción

El yacimiento "Los Caliches" es la fuente suministradora de materia prima para la planta de trituración y clasificación con una productividad de 376200 m3 de piedra triturada y arena al año.

2.1 Ubicación geográfica del yacimiento

Administrativamente el yacimiento "Los Caliches" se encuentra ubicado en el municipio de Gibara, provincia de Holguín. Está situado a unos 10 km. al suroeste de dicho pueblo y a unos 3,5 km. de la carretera Holguín – Gibara. Las coordenadas planas del sistema de Lambert de la concesión minera se muestran en la tabla 2.0 y en la figura 2.0 se muestra la ubicación relativa de la concesión del yacimiento.

Las coordenadas geográficas del yacimiento son las siguientes:

21o 4'17" latitud norte

76o 13' 6" longitud oeste

Tabla 2.0 Las coordenadas planas del sistema de Lambert de la concesión minera

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