OPERACI脫N DE PERFORACI脫N Y VOLADURAS EN MINER脥A
Voladura
La voladura es uno de los medios principales de extracci贸n de minerales en las operaciones de miner铆a a cielo abierto. El prop贸sito principal de la operaci贸n de voladura es la fragmentaci贸n de la roca y para esto se requiere de una gran cantidad de explosivos. Los explosivos liberan una gran cantidad de energ铆a durante la explosi贸n, en donde, s贸lo el 20-30% es utilizada para la ruptura y el desplazamiento de las rocas, mientras que el resto de esta energ铆a es desperdicia en forma de efectos secundarios ambientales (Ghasemi et al., 2011).
La voladura se puede definir como la ignici贸n de una carga masiva de explosivos. El proceso de voladura comprende el cargue de los huecos hechos en la perforaci贸n. Con una sustancia explosiva, que al entrar en acci贸n origina una onda de choque y, mediante una reacci贸n, libera gases a una alta presi贸n y temperatura de una forma substancialmente instant谩nea, para arrancar, fracturar o remover una cantidad de material seg煤n los par谩metros de dise帽o de la voladura misma (Glosario T茅cnico Minero, 2003).
La fragmentaci贸n de rocas por voladura comprende a la acci贸n de un explosivo y a la consecuente respuesta de la masa de roca circundante, involucrando factores de tiempo, energ铆a termodin谩mica, ondas de presi贸n, mec谩nica de rocas y otros, en un r谩pido y complejo mecanismo de iteraci贸n (Centro Tecnol贸gico de Voladura EXSA S. A, 2009).
La fragmentaci贸n del macizo rocoso es causada inmediatamente despu茅s de la detonaci贸n. El efecto de impacto de la onda de choque y de los gases en r谩pida expansi贸n sobre la pared del taladro, se transfiere a la roca circundante, difundi茅ndose a trav茅s de ella en forma de ondas o fuerzas de compresi贸n, provoc谩ndole solo deformaci贸n el谩stica, ya que las rocas son muy resistentes a la compresi贸n. Al llegar estas ondas a la cara libre en el frente de voladura causan esfuerzos de tensi贸n en la masa de roca, entre la cara libre y el taladro. Si la resistencia a la tensi贸n de la roca es excedida, esta se rompe en el 谩rea de la l铆nea de menos resistencia (burden). En este caso las ondas reflejadas son ondas de tensi贸n que retornan al punto de origen creando fisuras y grietas de tensi贸n a partir de los puntos y planos de debilidad naturales existentes, agriet谩ndola profundamente (efecto de craquelaci贸n) (Centro Tecnol贸gico de Voladura EXSA S. A, 2009).
Casi simult谩neamente, el volumen de gases liberados y en expansi贸n penetra en las gritas iniciales ampli谩ndolas por acci贸n de cu帽a y creando otras nuevas, con la que se produce la fragmentaci贸n efectiva de la roca. Si la distancia entre el taladro y la cara libre est谩 correctamente calculada la roca entre ambos puntos ceder谩. Luego los gases remanentes desplazan r谩pidamente la masa de material triturado hacia adelante, hasta perder su fuerza por enfriamiento y por aumento del volumen de la cavidad formada en la roca. En este momento en que los fragmentos o detritos caen y se acumulan para formar la pila de escombros o material volado. Concluyendo de esta forma el proceso de voladura (Centro Tecnol贸gico de Voladura EXSA S. A, 2009).
METODOLOGIA
En este cap铆tulo se presenta la descripci贸n de las variables de dise帽o de las voladuras (variables de entrada) y el algoritmo empleando para el c谩lculo de los par谩metros que acondicionan la operaci贸n de perforaci贸n y voladura.
3.1. Variables de dise帽o de las voladuras
3.1.1. Di谩metro del pozo (D): es el di谩metro con el que se construye el barreno de perforaci贸n, este depende principalmente del equipo que se emplea para su construcci贸n (Centro Tecnol贸gico de Voladura EXSA S. A, 2009).
3.1.2. Inclinaci贸n de la perforaci贸n: el componente principal del movimiento de las rocas es perpendicular al eje de los barrenos, por lo que cuando estos se inclinan el material se proyecta hacia arriba y hacia adelante (Long, 2003).
En teor铆a, el desplazamiento horizontal es m谩ximo cuando el 谩ngulo de los barrenos es de 45掳, pero en la pr谩ctica lo habitual es utilizar inclinaciones no superiores a los 30掳. Esto es debido a las caracter铆sticas de los equipos de perforaci贸n, que en algunos casos, incluso aconsejan la perforaci贸n vertical, como sucede con los grandes equipos rotativos con rocas duras (Centro Tecnol贸gico de Voladura EXSA S. A, 2009).
3.1.3 Densidad del Explosivo: es el peso espec铆fico g/cm3 (a mayor densidad, mayor potencia), var铆a entre 0,7 a 1,6 g/cm3. Todo explosivo tiene una densidad critica encima de la cual ya no detona (Karlinsku et al., 2008)
3.1.4 Resistencia a la compresi贸n de la roca (sc): es la propiedad mec谩nica de la roca de oponerse a las fuerzas de compresi贸n y tensi贸n (Yilmaz, 2009). Esta propiedad determina la energ铆a que se necesita aplicar para la perforaci贸n del macizo rocoso y acondiciona en gran parte los par谩metros y caracter铆sticas de la operaci贸n de perforaci贸n y voladura (Zhantao e Itakura, 2012).
3.1.5 Dimensiones de la voladura: comprende el 谩rea superficial delimitada por el largo del frente y el ancho o profundidad del avance proyectado (m2) por la altura de bando o de corte (H), en m3 (Centro Tecnol贸gico de Voladura EXSA S. A, 2009).
Las variables de dise帽o de voladura descritas anteriormente, son las que se utilizan como variables de entrada en el algoritmo para el dise帽o de la operaci贸n de perforaci贸n y voladura. Dichas variables nos permiten obtener como resultado, par谩metros fundamentales como el burden (B), espaciamiento (E), altura de banco (H), taco (T), sobre perforaci贸n (SP), volumen de carga (VC), factor de carga (PF), entre otras, que influyen directamente en la ejecuci贸n de la voladura en miner铆a de superficie.
3.2. Algoritmo
El prop贸sito de esta fase es mostrar el algoritmo empleado que permite realizar los c谩lculos de los par谩metros fundamentales en el dise帽o de perforaci贸n y voladura.
Para dicho objetivo, se definieron cuatro funciones en un m贸dulo, como se puede observar en la tabla 1. Estas funciones permiten calcular los valores de los par谩metros: Volumen de carga (VC), carga del barreno (CP), Volumen del material removido por barreno (BCM) y el factor de carga (PF).
Luego de definir las funciones, se presenta el algoritmo que permite lectura de las variables de entrada y el c谩lculo de cada uno de los par谩metros necesarios para la voladura.
En el dise帽o del algoritmo se utiliz贸 un condicional simple que permite realizar el c谩lculo de los diferentes par谩metros teniendo en cuenta la resistencia a la compresi贸n de la roca, es decir, si se trata de una roca dura (sc > 120 MPa) o una roca blanda (sc < 120 MPa).
En la tabla 2, se describe de forma sistem谩tica y ordenada a trav茅s de un pseudoc贸digo el algoritmo que se ejecut贸 para el c谩lculo de los diferentes par谩metros en el dise帽o de la operaci贸n de perforaci贸n y voladuras en miner铆a de superficie.
4. AN脕LISIS DE RESULTADOS
Para comparar y valorar los resultados obtenidos tras el dise帽o de este algoritmo, se presenta a continuaci贸n una tabla comparativa, entre el modelo tradicional del dise帽o de voladura y el algoritmo realizado en este art铆culo.
Adicionalmente se presenta un ejemplo donde se ejecuta el algoritmo para el c谩lculo de los par谩metros en la operaci贸n de perforaci贸n y voladuras.
A continuaci贸n en la figura 2 se muestra un ejemplo de los datos arrojados por el algoritmo, para una voladura con un di谩metro de perforaci贸n de 76mm, una inclinaci贸n de 10掳 y una densidad de explosivo de 804kg/m3, para una roca dura con resistencia a la compresi贸n de 180Mpa.
Teniendo en cuenta los datos suministrados en el ejemplo anterior fueron obtenidos los siguientes resultados:
El volumen de material a volar es de 45.600m3, para el cual se necesitan aproximadamente 37.058Kg de explosivo, con un total de 2.732 barrenos, espaciados 2m y cargados cada uno con aproximadamente 13,562Kg de explosivo y un taco de 1,52m.
La relaci贸n entre el peso de explosivo utilizado y el volumen de material roto, es decir, el factor de carga (PF) para este caso en particular fue de 0,813Kg/m3.
5. CONCLUSIONES
En el caso en el cual el 煤nico problema a resolver es el c谩lculo de las variables o par谩metros empleando las f贸rmulas emp铆ricas en el dise帽o de la operaci贸n de perforaci贸n y voladuras, el uso del algoritmo presentado en este trabajo es v谩lido. Sin embargo debe tenerse encuentra que el programa solo est谩 dise帽ado para arrojar los resultados, y que la correcta interpretaci贸n o no de estos depende directamente de la preparaci贸n y facultad que posea la persona a cargo.
Este algoritmo a diferencia del m茅todo tradicional o manual ofrece la posibilidad de dise帽ar la operaci贸n de perforaci贸n y voladuras en menor tiempo, pr谩cticamente de forma instant谩nea puesto que no es necesario conocer las f贸rmulas para el c谩lculo de los diferentes par谩metros, ya que el algoritmo las tiene impl铆citas en su dise帽o. Adem谩s con la aplicaci贸n del algoritmo se evita incurrir en el error humano que se tiene por el uso repetitivo de las f贸rmulas para el c谩lculos de los par谩metros involucrados en el dise帽o de la perforaci贸n y voladura en miner铆a de superficie.
Los m茅todos expuestos en este art铆culo pueden ser aplicados de forma manual, aunque es un proceso que suele convertirse en largo, complejo y tedioso, debido a las numerosas f贸rmulas y consideraciones que deben tenerse en cuenta, en especial al momento de considera el valor de la resistencia a la compresi贸n de la roca, par谩metro que acondiciona todo el proceso.
La mayor ventaja que ofrece el algoritmo presentado en este art铆culo es la facilidad y rapidez con que se obtienen las diferentes variables que acondicionan la operaci贸n de perforaci贸n y voladura, puesto es solo cuesti贸n de ingresar los datos de entra a la interfaz para conocer el valor de dichas variables. Esta ventaja que permite el algoritmo se traduce en ahorro de tiempo, lo cual para la industria minera es sin贸nimo de disminuci贸n de costos.
El dise帽o y an谩lisis de la operaci贸n de perforaci贸n y voladuras por medio de la aplicaci贸n de la programaci贸n estructurada permite obtener la informaci贸n de forma m谩s atractiva, es decir, ordenada, estructurada, simplificada y lo que es mejor en menor tiempo. Enriqueciendo de esta manera la operaci贸n de perforaci贸n y voladura en miner铆a de superficie.
