Download Mecanismos de rotura de la roca

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Capítulo 16
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MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA
"
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"
'-"
--.J 1.
INTRODUCCION
miento de la carga a las paredes del barreno. Según
Duvall y Atchison (1957) con explosivos de alta potencia y en rocas porosas puede llegar a tener un radio
de hasta 8 D, pero lo normal es que oscile entre 2 y
4 D.
En la Fig. 16.1, se muestra la variación de las tensiones de compresión generadas por dos cargas de explosivo acopladas. La trituración de la roca se produce
a una presión de 4 GPa, por lo que la curva (A) del
explosivo que produce en la pared del barreno una
tensión de 7 GPa tiene un gradiente de caída muy
acusado, debido al gran aumento de superficie específica que tiene lugar durante la pulverización de la
roca. Como el explosivo (B) no aumenta la superficie
específica por trituración, presenta una pendiente de
caída de tensión más atenuada que el (A).
--~
...J
~
...J
Durante la detonación de una carga de explosivo en
el interior de la roca, las condiciones de solicitación
que se presentan están caracterizadas por dos fases de
acción:
1.a fase:
-"
'
"
2.a fase:
/
"
--./
/
~
/
"
Se produce un fuerte impacto debido a la
onda de choque, vinculada a la Energía de
Tensión, durante un corto espacio de
tiempo.
Actúan los gases producidos detrás de la
zona de reacción que a alta presión y temperatura son portadores de la Energía Termodinámica o de Burbuja.
Desde la década de los años 50, se han desarrollado
diversas teorías para explicar el comportamiento
de las
rocas bajo los efectos de una explosión, siendo aún
hoy uno de los problemas a resolver y definir en la
tecnolo.gía de aplicación de los explosivos al arranque.
Prescindiendo de un análisis detallado de cada una de
lO,o
'O
"~
z
o
¡¡;
z
W
f-
esas teorías, se describen seguidamente
los distintos
mecanismos de rotura de la roca identificados
en las
voladuras en el estado actual de conocimiento.
/
"
2.
MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA
/
~-,
-.-/
En la fragmentación
de materiales rocosos confexplosivos intervienen, al menos, ocho mecanismos de
rotura, con mayor o menor responsabilidad, pero partícipes todos en los resultados de las voladuras.
-.-/
----...
/
- "
/
-.-/
---/
DISTANCIA
A LA
PARED
DEL
BARRENO
Figura 16.1." Variación de la tensión de pico con la distancia a
la pared del barreno (Hagan).
2.1. Trituración de la roca
En los primeros instantes de la detonación, la presión en el frente de la onda de choque que se expande
de forma cilíndrica alcanza valores que superan ampliamente la resistencia ainámica a compresión de la
roca provocando la destrucción de su estructura intercristalina e intergranular.
El tamaño del anillo de roca triturada aumenta con la
presión de detonación del explosivo y con el acopla-
Según Hagan (1977) este mecanismo de rotura consume casi el 30% de la energía que transporta la onda
de choque, colaborando en la fragmentación de la roca
con un volumen muy pequeño, del orden del 0,1% del
volumen total que corresponde al arranque normal de
un barreno. No hay pues, ningún incentivo para utilizar
explosivos potentes que generen tensiones en la roca
de las paredes de los barrenos muy elevadas, de ahí
que en algunos casos se aconseje el desacoplamiento
209
'-de las cargas y el aumento
de la «ES»
a costa de la
«ET».
FRACTURAS
CREADAS
POR OESCOSTRAMIENTO
'2.2.
Agrietamiento
radial
Durante la propagación
de la onda de choque, la
roca circundante al barreno es sometida a una intensa
compresión
radial que induce componentes
de tracción en los planos tangenciales
del frente de dicha
onda. Cuando las tensiones superan la resistencia dinámica a tracción de la roca se inicia la formación de
una densa zona de grietas radiales alrededor de la zona
triturada que rodea al barreno.
ZONA DE INTENSA
FRACTURACIQN
RADIAL
'--
'-
JUNTA RELLENA
DE AGUA
FRACTURAS
RADIALES
INTERCEPTADAS
POR UNA
'-
JUNTA
~
Figura 16.3. Agrietamiento radial y rotura por reflexión de la
onda de choque.
'-
lTe
COMPREsrON
ITz
TRAccrON
Figura
El número
menta con:
Agrietamiento radial.
16.2.
y longitud
de esas grietas
radiales
au-
1. La intensidad
de la onda de choque en la pared del
barreno o en el límite exterior del anillo de roca
triturada, y
2.
La
disminución
tracción
Energía
de
la
resistencia
de la roca y el factor
de Tensión.
dinámica
de atenuación
a
de la
Detrás de esa zona interior de intenso agrietamiento,
algunas fracturas progresan de forma importante distribuidas aleatoriamente
alrededor del barreno. La velocidad de propagación
de las grietas es de 0,15 a 0;-40 .~
veces la de la onda de choque, aunque las primeras
microfisuras se desarrollan en un tiempo m,vy pequeño
del orden de 2 ms.
Cuando la roca presenta fracturas naturales la extensión de las grietas guarda una estrecha relación con
éstas. Si las columnas de explosivo son intersectadas
longitudinalmente
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 barrenos pero a alguna
distancia de éstos, interrumpir?n
la propagación de las
grietas radiales. Fig. 16.3.
2.3.
Reflexión
Cuando
de la onda de choque
la onda de choque
alcanza
una superficie
libre se generan dos ondas, una de tracción y otra de
cizallamiento.
Esto sucederá cuando las grietas radiales no se hayan propagado
más que una distancia
equivalente a u n tercio de la que existe desde la carga a
esa superficie libre. Aunque la magnitud relativa de las
energías asociadas a las dos ondas dependen del ángula de incidencia de la onda de choque primaria, la
fracturación
es causada generalmente
por la onda de
tracción reflejada. Si las tensiones de tracción su peran
la resistencia dinámica de la roca se producirá hacia el
interior el fenómeno conocido por descostramiento
o
«spalling». En las rocas las resistencias a tracción alcanzan valores entre un 5 y un 15 % de las resistencias a
compresión.
El frente de la onda reflejada es más convexo que el
de la onda incidente, por lo que el índice de dispersión
de la energía de la onda de tracción es mucho mayor
cuando la superficie es cílíndri"ca, como la del barreno
centrál de un cuele, que cuando se dispone de un
plano como sucede en una voladura.
"-
"-
'---
"-
"-
'--
'--
\...
'--
"-Figura 16.4. Reflexión de una onda sobre una cavidad cillndrica.
Este mecanismo
contribuye
relativamente
poco al
proceso global de fragmentación,
estimándose que la
carga de explosivo necesaria para produci r la rotura de
la roca por la acción exclusiva de la reflexión de la onda
de choque sería ocho veces mayor que la carga nor-
'--
"--
'--
210
"-
./
/
mal. Sin embargo, en las discontinuidades
internas del
macizo rocoso que están próximas a la carga, esto es a
distancias menores de «150», y no se encuentran rellenas con material de meteorización, el efecto de esta
reflexión de las ondas es mucho más significativo por
la diferencia de impedancias.
En la excavación de rampas 'inclinadas o pozos con
voladuras debe comprobarse que los barrenos vacíos
no estén llenos de agua con el fin de aprovechar los
efectos de este mecanismo de rotura.
,/
2.4.
/
/
Extensión
2.6. Fracturación por Cizallamiento
En 'formaciones rocosas sedimentarias
cuando los
estratos presentan distintos módulos de elasticidad o
parámetros geomecánicos, se produce la rotura en los
planos de separación al paso de la onda de choque por
las tensiones diferenciales o cortantes en dichos puntos. Fig. 16.6.
ESTRATO X
FASE D[
y apertura de las grietas radiales
W
TRACCI~N
/
/
'\
Después del paso de la onda de choque, la presión
de los gases provoca un campo de tensiones cuasiestático alrededor del barreno. Durante o después de
la formación de las grietas radiales por la componente
tangencial de tracción de la onda, los gases comienzan
a expandirse y penetrar en las fracturas. Las grietas
radiales se prolongan bajo la influencia de la concen-
"'r
CARGA
-- ---
:
EXPLOSIVO
B
, ESTRATO
Y
tración de tensiones en los extremos de las mismas. El
,/ número y longitud de las grietas abiertas y desarrolladas depende fuertemente de la presión de los gases,
por lo que un escape prematuro de éstos por un retaI cado insuficiente o por la presencia de alguna zona
débil del frente libre puede conducir a un menor apro,
DE
Figura 16.6. Fracturación por ciza/lamiento (Hagan).
vechamiento de la energia del explosivo.
2.7.
/
2.5.
Antes de que la onda de choque alcance el frente
libre efectivo, la energia total transferida a la roca por la
compresión inicial varía entre el 60 y el 70% de la
I
energia de la voladura (Cook et al 1966). Después del
paso de la onda de compresión, se produce un estado
de equilibrio cuasi-estático seguido de una caída sú" bita de presión en el barreno, debida al escape de los
I gases a través del retacado, de las fracturas radiales y
al desplazamiento
de la roca. La Energía de Tensión
almacenada se libera muy rápidamente, generándose
/
solicitaciones de tracción y cizallamiento que provocan la rotura del macizo. Esto afecta a un gran volumen
de roca, no sólo por delante de los barrenos, sino
incluso por detrás de la línea de corte de la voladura,
habiéndose llegado a identificar daños a distancias de
varias decenas de metros. Fig. 16.5.
.r
l."..
-><,
Rotura por flexión
Durante y después de los mecanismos de agrietamiento radial y descostramiento:
la presión ejercida
por los gases de explosión sobre el material situado
frente a la columna de explosivo hace que la roca actúe
como una viga doblemente empotrada en el fondo del
barreno y en la zona del retacado, produciéndose
la
deformación y el agrietamiento de la misma por los
fenómenos de flexión. Fig. 16.7.
Fracturación por liberación de carga
I
h
"Tiempo=ti
2.8.
.
Rotura por colisión
Los fragmentos de roca creados por los mecanismos anteriores y acelerados por los gases son proyectados hacia la superficie libre, colisionando entre
sí y dando lugar a una fragmentación adicional, que
se ha puesto de manifiesto en estudios con fotografías ultrarrápidas (Hino, 1959; Petkof, 1961).
,-,.,,-
t= Xms
t=O
Figura 16.5.
t= 2 X ms
Fracturación por liberación de carga.
211
3.
TRANSMISION
DE LA ONDA DE CHOQUE
EN UN MEDIO ROCOSO
Como se ha visto anteriormente, la Presión de Detonación puede expresarse de forma simplificada
por:
PD
=
Pe X VD 2
4
PD = Presión de detonación
Pe
= Densidad
VD = Velocidad
(kPa).
del explosivo
(g/cm 3).
de detonación
(mis).
La máxima Presión Transmitida
a la roca equivale
2
PT m =
1+
donde «nz» es la relación
plosivo y la de la roca:
nz =
a:
PD
nz
entre la impedancia
del ex-
Pe X VD
Pr x VC
siendo:
VC = Velocidad de propagación
medio rocoso (mis).
Pr =
Foto 16.1.
Rotura
de /a roca por f/exión
(Nitro
Nobe/).
Densidad
de la roca (g/cm1).
Esto significa que la onda explosiva se transmite
tanto mejor a la roca cuanto más se acerca la impedancia del explosivo a la de la roca, dado que "nz"
tenderá hacia 1 mientras que "PT" lo hará simultáneamente hacia "PD». La presión de la onda en la
roca decrece con una ley exponencial,
de modo que
la tensión radial generada a una determinada
distancia será:
",",~
G¡ = PB x
RETACADO
------------
de las ondas en el
[~;
r
donde:
G¡
= Tensión
radial de compresión.
PB = Presión en la pared del barreno.
rb
CARGA
~
=
Radio del barreno.
DS = Distancia desde el centro
de estudio.
x
212
al punto
= Exponente de la ley de amortig uación, que para
cargas cilíndricas se aproxima a 2.
Si la onda en su camino
Figura 16.7. Mecanismo de rotura por flexión.
del barreno
encuentra
materiales
di-
versos, con impedancias
diferentes, y en correspondencia con superficies
de separación
que pueden
estar en contacto
o separadas por aire o agua, la
../
transmisión
de la onda de choque
estará gobernada
J
de roca, pudiendo parcialmente
transmitirse
y al
mismo tiempo reflejarse en función de dicha relación.
Cuando las impedancias de los medios son iguales
..J (PrZx VCz = Prl X VC¡) gran parte de la energía se
transmitirá y el resto se reflejará, Ilegá,ndose a una
situación
límite cuando
(PrZ x VCz ~ Prl x VC!),
J como, porejemplo, entre roca y aire, donde se reflejará
casi la totalidad de la energía transportada por la onda
,
de compresión en forma de tensión de tracción, pu-
..J diendo adquirir especial importancia en el proceso de
rotura de la roca.
Lo indicado es válido tanto para las presiones de las
ondas como para las energías transmitidas. Si la rela../ ción de impedancias características de los dos medios
es:
../
n'z = Prl X VC!
PrZ X VCz
../ se tend rá
PI
PT = 2 (1+n'z)
/
FASE 1
/
t
(1
PR = PI
por la relación de impedancias de los distintos tipos
~
- n'z)
(1 + n'z)
donde:
PI = Presión de la onda incidente.
PT = Presión de la onda transmitida.
PR = Presión de la onda reflejada.
4.
RENDIMIENTO ENERGETICO DE LAS VOLADURAS
La acción de los explosivos sobre las rocas es pues
la resultante de un conjunto de acciones elementales, que actúan escalonadamente
y en ocasiones de
forma simultánea en pocos milisegundos, asociadas
a los efectos de la onda de choque que transporta la
«Energía de Tensión", y alas efectos de los gases de
explosión o «Energía de Burbuja». Fig. 16.8.
La energía total desarrollada
por el explosivo y
medida por el método propuesto por Cole, puede expresarse entonces como la suma de esas dos componentes.
FRENTE LIBRE
'~'~'~/-T/""h"""'/,q7,.('
ONDAS
""""
IJ¡:Y/~/AY/~/-"iY/""'/"""'~,,-
FASE Iil
FRENTE LIBRE
ORIGINAL
ROCA
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\
FRENTE
LIBRE
,1
FRAGMENTACION
POR COLlSION
FASE :sz:
./
/
FASEm
.j'
FRENTE
LIBRE
./
./
./
POR ACCION DE LOS GASES
./
./
Figura 16.8.
Resumen
de mecanismos
de rotura.
213
'-
'---
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"--
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Pk
oofl"""
; """'"m",to
E""Cod;'OOi"""~~_L.rE;,;;gcO ",,"midop"
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Pk~P",ioo
fi,,1,. ", "o." ~ "poo,id,"',, loco" ""mocito'"
Rm~Ro,i".",odo" pa,,' d,' """." "'.",
Figura
Modelo
16.9.
de distribución
de la energía
ETD = ET + E B
EB=~
61
Q
S
"'-
en una voladura.
presenta
bloques
en la Fig. 16.9, a partir de ensayos sobre
cúbicos de roca sumergidos
en piscihas.
Estos investigadores
afirman que aproximadamente
el 53% de la energía del explosivo va asociada a la
onda de choque. Este valor depende de las condiciones de experimentRción
y pueden encontrarse
resultados muy dispares que van desde el 5% al 50%
de la energía total, según los distintos tipos de roca
que se desean fragmentar
y la clase de explosivo
empleado.
Así, en una roca dura, la Energía de Tensión de un
explosivo
rompedor es más importante
en la fragmentación que la Energía de Burbuja, sucediendo
lo
contrario en las formaciones
blandas, porosas o fisuradas y los explosivos de baja densidad.
donde:
ET =
del explosivo
p2 x dt (cal/g)
x Te3 (cal/g)
Estimaciones
efectuadas
por Hagan (1977) han
puesto de manifiesto
que solamente
un 15% de la
energía total generada en la voladura es aprovechada
como trabajo útil eh los mecanismos
de fragmentación y desplazamiento
de la roca.
Rascheff y Goemans (1977) han establecido
un
modelo teórico de reparto de energía, tal como se re-
De los ensayos efectuados
por Rascheff y Goemans, se resume en la Tabla 16.1 el reparto de la
energía de la onda de choque:
"-
"'-
"-
"'-
'--
'-
'-TABLA 16.1.
REPARTO DE LA ENERGIA
""
BLOQUE DE GRANITO
CON
CONFINAMIENTO
INFINITO
Pulverización
Fisuración radial
primana
Prolongación de
fisuras
Energía transmitida
Energía aprovechada
214
DE LA ONDA DE CHOQUE
.
VOLADURA
CONVENCIONAL
DE GRANITO
EN BANCO
BLOQUE DE
GRANITO
SUMERGIDO
EN AGUA
15%
15%
15%
3%
3%
2%
0%
82%
16%
34%
39%
22%
18%
34%
56%
'--
"
"
"
'-
"
./
Puede observarse que en las voladuras convencionales en banco una gran parte de la energía de la
onda de choque se transforma en energía sísmica
/ que da lugar a las vibraciones del terreno a, la
cual se sumará parte de la energía de los gases.
./
Los datos expuestos concuerdan bastante bien
con los obtenidos por otros investigadores como
Mancini y Occella.
./
No debe olvidarse, que para conseguir unos resultados óptimos en las voladuras es preciso no sólo
fragmentar la roca sino esponjarla y desplazarla una
determinada distancia, por lo que los gases juegan
también en las últimas etapas un papel decisivo.
Lownds (1986) ha descrito, también, el reparto de la
energía del explosivo en el proceso de voladura de las
.J rocas, utilizando un modelo simplificado de interacción
roca-explosivo. El distribuye la energía en zonas diferentes relacionadas con la curva Presión-Volumen de
.1 los gases producidos en la explosión. Fig. 16.10.
TABLA 16.2
1+2+3+4
5
1+2+3+4+5
QlP3
(f)
W
a:
(L
,,
/
5
VOLUMEN
..;
Figura 16.10.
DiagramaP-V de los gases de explosión,
mostrando
la distribución de la energía en la voladura.
/
)
)
/
/
I
Las energías asociadas con las diferentes zonas
mostradas en la figura anterior son las que seJndican en
la Tabla 16.2.
Inmediatamente después de la detonación del explosivo en el barreno, los gases a alta presión en el estado
inicial o de explosión P3 transmiten un impacto u onda
de choque a la roca. Las tensiones producidas por esta
onda, en la roca próxima al barreno, son superiores a la
resistencia dinámica a compresión y a tracción de la
roca. Se produce una trituración y una compresión de la
roca alrededor del barreno, dependiendo de la presión
de explosión y la resistencia y tenacidad de la roca.
Como la roca es triturada y comprimida el volumen del
barreno aumenta con una disminución correspondiente
de la presión, hasta que la tensión en la roca se equilibra con la presión. Esto se muestra en la curva de la Fig.
Componente cinética de la energía de choque o tensión
Componente de tensión de la energla de
choque.
Energía rompedora.
Energía liberada durante la propagación de
las grietas.
Energía de fragmentación.
Energía de tensión en la roca en el instante
de escape de los gases.
Energía de voladura
Energía de proyección y pérdida de energía en el escape de los gases.
Energía total disponible o valor de potencia
absoluta.
2+3
4
z
4
1
1+2
3+4
/
..;
ENERGIA
2
.1
/
ZONA
.
16.10 como P4, y se denomina estado de equilibrio. El
trabajo realizado por el explosivo durante la expansión
es llamado energía de rotura, y consiste en la energía
de tensión almacenada en la roca (Zona 2) y la energía
cinética de la onda de choque (Zona 1). En el proceso
de voladura la energía de tensión cinética se pierde
esencialmente como trabajo útil y se manifiesta como
roca triturada en la proximidad inmediata del barreno y
ondas sísmicas propagadas en el terreno.
Las tensiones en la roca son el resultado de la presión de barreno residual P4 que causa las fracturas. Los
gases de explosión penetran en las grietas existentes
entre el barreno y el frente libre, haciendc un trabajo útil
de prolongación de las mismas que colaboran en la
fragmentación y contribuyen a la proyección. Este proceso termina más o menos, básicamente, cuando los
gases alcanzan el frente libre. La presión de los gases
en el momento de escape se muestra como P5 en la
Fig. 16.10. En este instante la roca delante del barreno
es comprimida por los gases existentes en las grietas
con una energía de tensión almacenada en la roca
(Zona 4). Esta energía es considerada como insignificante en la fragmentación y proyección de la roca.
Las energías de las Zonas 2 y 3 son las más útiles en
la voladura de las rocas y es llamada Energía de Fragmentación.
Parte de la energía de los gases en el momento de
escape (Zona 5) desplaza la roca, y es llamada Energía
de Proyección. Sin embargo, el resto de la energía de la
Zona 5, al escapar los gases, es perdida como calor y
" ruido.
Aunqueeste métodode distribuciónde energía simplificael procesode la voladuraaportauna valiosapercepción de a dónde va la energía durante las diferentes
fases del proceso. También proporciona una compara-
ción aproximadade la magnitudde fas diferentesfracciones de energía utilizadas en las diversas fases de las
voladuras cuando los gases de explosión se expanden
desde la presión inicial en el barreno a la presión atmos-
férica.
No toda la energía disponible es útil en la fragmenta-
ción y proyecciónde la roca. Es, pues, posiblemejorar
la eficiencia del proceso de voladura, utilizando explosi-
vos idealeso no idealesdiseñadospara minimizarlas
pérdidas de energía.
215