material de estudio parte 6

1

INTERCADECONSULTANCY & TRAINING

www.intercade.org

ANALISIS Y CONTROL DE VIBRACIONES

EN VOLADURA

Ph.D. Carlos Agreda TurriateConsultor Intercade

2

Ph.D. Carlos Agreda Turriate - [email protected] - Consultor Intercade

� Análisis y control de vibraciones en voladura superficial� Descripción del fenómeno vibratorio� Generación de ondas sísmicas por voladuras� Tipos de ondas elásticas� Medidas de vibraciones producidas por voladuras� Ley de transmisividad� Análisis de frecuencias� Normativas internacionales� Medición de vibraciones en voladuras� Controles de vibraciones� Estudios de vibraciones� Técnicas de reducción de vibraciones� Bibliografía

INDICE

2


www.intercade.org

3


ANALISIS Y CONTROL DE VIBRACIONES EN VOLADURA

Vibration Monitoring and Analysis

4


Introducción

El problema de las vibraciones inducidas por la voladurade rocas es uno de los más difíciles que enfrentan, eneste tercer milenio, los directivos de las empresasmineras tanto subterráneas como superficiales, así comotambién los profesionales de Ingeniería Civil en lasdiversas obras, que muchas de ellas se realizan enciudades habitadas.

Así por ejemplo se tienen las demoliciones deestructuras.

ANALISIS Y CONTROL DE VIBRACIONES EN VOLADURA

3


www.intercade.org

5


The Canada packing building Toronto, Ontario, may 1 7, 1998. This was the first allowed implosion in Toronto.

6


4


www.intercade.org

7


8


Esto también es una constante preocupación, especialmentecuando se tienen que efectuar voladuras de rocas cercanas achancadoras, plantas, oficinas, construcciones, etc.

5


www.intercade.org

9


Por otro lado, la tendencia en este tercer milenio esincrementar los diámetros de los taladros para detonarmayor tonelaje por disparo y obtener como ventaja mayoreficiencia del equipo minero; de esta manera, reducir elnúmero de disparos y sus consecuentes efectosnegativos.

Al incrementarse el tamaño de los disparos, naturalmenteresultará en un incremento de la cantidad de energíaexplosiva utilizada en el disparo, ya sea por el incrementode la cantidad de explosivo, por usar explosivos conmayor energía o por ambas razones.

10


Surface

Distance from surface to

D = center of defined cratercharge.

ExplosiveColumn

Stemming12 Feet

4.2 Feet

Ste

mm

ing

Explosive Lengthof Defined Crater

Charge

W = Weight of explosiveoccupied only in the toppart of the explosivecolumn, equivalent tothe length of 10borehole diameters

ROCKINTACT

6


www.intercade.org

11


12


7


www.intercade.org

13


La energía producidacuando los explosivos sondetonados es consumidapor varios efectos; elprincipal obviamente esfracturando y deformandoel material, dentro del cualel explosivo fue detonado.

14


Otros efectos producidos por la energía producida por ladetonación de las MEC incluyen lo siguiente:

�Lanzamiento de fragmentos de rocas

� Incremento de la temperatura

�Presión de aire, y formación de vibraciones sísmicas yvibraciones subterráneas

En general, los efectos negativos de las vibracionesinducidas por la voladura de rocas pueden clasificarse dela siguiente manera:

�Efectos de campo cercano

�Efectos de campo lejano

8


www.intercade.org

15


16


Los efectos de campo cercano son el resultado de laenergía vibracional que fractura y malogra la pared delbanco cercano al disparo, tendiendo a producircondiciones inestables de las paredes del banco.

Para controlar de alguna manera este tipo de daños, sepueden usar los métodos de la voladura controlada, talescomo los siguientes:�Prespliting�Cushion blasting, etc.

En el presente módulo, se presentarán algunasaplicaciones de efectos a campo lejano de lasvibraciones inducidas por la voladura de rocas; entreestas se tendrán las siguientes:

9


www.intercade.org

17


18


�Daños a las instalaciones mineras

�Presión de aire y la influencia de las vibraciones en laestabilidad de los límites finales del pit y la estabilidadde las canchas de desmonte

También se debe mencionar que el ataque al macizorocoso más barato y conocido a nivel mundial es el físico-químico, en el que se usa la MEC.

10


www.intercade.org

19


20


El ataque mecánico usando TBM, martillo, rozadoras, etc.es más caro y aplicable solamente a ciertos macizosrocosos.

11


www.intercade.org

21


DESCRIPCION DEL FENOMENO VIBRATORIO

BLUE RIDGE STONEDATA/TIME 07/08/93 1:50PMINST NO. 2876: FIMCON01544

PINEY RIVER QUARRYBLAST NO.1RANGE 1.00

VIBRATION ANALYSIS:AIR: 112DB = 0.0012 PSIGND: 18 IN/SEC

AIRPEAK = 0.06 in/sec

PEAK = 0.04 in/sec

PEAK = 0.18 in/sec LONG (interior - third floor)

VERT (exterior)

TRAN (interior second floor)

22


Introducción

Cuando una onda sísmica producida por la detonaciónde una MEC dentro de un taladro se propaga a travésdel macizo rocoso, su amplitud decrece comoresultado de la combinación de dos factores, que sonlos siguientes:

�La propagación y el desplazamiento geométrico

�La pérdida por fricción de la amplitud de dicha onda

DESCRIPCION DEL FENOMENO VIBRATORIO

12


www.intercade.org

23


0.342 mm

2m

5m

8m

11m

14m

17m

FIGURE PLANE ARRANGEMENT OF BOREHOLE

1 2 3 4 5 6

24


R

RR

Trigger signal

YBJ-1 recorder

FIGURE: MEASURE SYSTEM WITH 1/3 VOLT ATTENUATION

Geophone+

13


www.intercade.org

25


Point 2 Point 3 Point 4 Point 5 Point 6

Point 1

FIGURE WAVEFORM OF SEISMIC WAVE IN Nº 3 BLASTING.

26


�La propagación y el desplazamiento geométrico noproducen pérdida de la energía vibracional, peromeramente describen la dispersión geométrica de laexpansión del frente de onda, la cual podría variar desdela forma planar (campo muy cercano) a forma cilíndrica(campo medio) o a forma esférica (campo lejano) paracolumnas de explosivos tales como las cuales sepresentan en las operaciones de voladuras de bancos.

�La pérdida por fricción toma en cuenta la pérdida deenergía vibracional a través de la falta de elasticidaddentro del macizo rocoso. Esto es debido a lascaracterísticas del macizo rocoso que también soninfluenciadas por algunos valores elevados de algunosmódulos de las rocas.

14


www.intercade.org

27


28


Así por ejemplo, algunas rocas que poseen altosíndices de competencia tendrán un valor de friccióninterna de menor magnitud. Se pueden asumir quedichas rocas tienen un comportamiento elásticocuando el valor de los módulos y la competenciadecrecen; la pérdida por fricción se incrementa; y unaatenuación mucho más rápida de la energía vibracionaltoma lugar. Varias expresiones matemáticas han sidopostuladas para describir la pérdida en amplitud de unaonda vibracional; así se tienen las siguientesecuaciones:

( )1→= xeKA α

15


www.intercade.org

29


( )2→= βxKA

( )3→= − xexKA αβ

• K, α y β: constantes del macizo rocoso donde se lleva a caboel monitoreo

• x: término llamado distancia escalada

La aplicación de cada una de las ecuaciones descritasanteriormente depende de una serie de factores.

30


Así por ejemplo, la aplicación de la ecuación (1) es paralos casos de la propagación de una onda plana y unafrecuencia fija.

Para la aplicación de la ecuación (2), se asume uncomportamiento elástico del macizo rocoso (no haypérdida por fricción).

Mientras que para la aplicación de la fórmula (3), sedeben incorporar los mecanismos geométricos y pérdidafriccional; también se debe asumir una frecuenciaproducida por las vibraciones fijas, no implantandoninguna dispersión de los impactos con el incremento dela distancia de propagación de dichas vibraciones.

Se debe mencionar que la ecuación más aplicada es laecuación (3).

16


www.intercade.org

31


El modelo más comprensivo para describir la variación dela amplitud producida por las vibraciones y la frecuencia,tal como las ondas vibracionales que se propagan através del macizo rocoso, es el que fue postulado porKavetsky et ál. (1999).

Finalmente, el fenómeno vibratorio puede definirse comoun fenómeno de transmisión de energía por lapropagación de un movimiento ondulatorio a través delmacizo rocoso.

La fenomenología de las vibraciones se caracteriza por laexistencia de una fuente de generación de lasvibraciones y un receptor de dichas vibraciones.

32


FLYROCK

PIT SLOPES,SPOIL PILES,

ETC.

PRODUCTIONBLAST

UNDERGROUNDWORKINGS

AREAS OF CONCERN WHEN BLASTING

SURFACESTRUCTURE

AIRBLASTED

C

B

A

D

D

D

D

3 4

1

2

17


www.intercade.org

33


Time

- Amplitude

+ Amplitude Time

14

12

34T T T T

SINUSOIDAL OSCILLATION OF A LOADED SPRING

0

34


Time

DurationTime

1 Cycle

Amplitude

BaseLine

IDEALIZE VIBRATION TRACE - DISPLACEMENT, VELOCITY, OR ACCELERATIONVERSUS TIME

Line

Dis

plac

emen

t

18


www.intercade.org

35


Dis

plac

emen

t, ve

loci

ty a

nd

acce

lera

tion

in s

impl

e ha

rmon

ic

mot

ion

Acc

eler

ati

on

aV

elo

city

VD

isp

lace

men

t S

36


GENERACION DE ONDAS SISMICAS POR VOLADURAS

Direction of travel

Motion of particlesin waves path

Zone of compression

Zone of rarefaction

ILLUSTRATION OF THE MOTION OF THEPARTICLES WITHIN “P” WAVE

Compression (or P) wavesShear (or S or secondary wavesRayleight (or R) waves

19


www.intercade.org

37


Introducción

La detonación de una MEC cargada dentro de un taladro,ubicado en un macizo rocoso cualquiera, generainstantáneamente un gran volumen de gases, queestarán a grandes presiones y temperaturas.

La aparición brusca de estas presiones elevadasactuando sobre las paredes de los taladros en forma dechoque o impacto, que luego se manifiesta como ondasde deformación actuando sobre las paredes del taladro.

GENERACION DE ONDAS SISMICAS POR VOLADURAS

38


CONTACTO CON AGUA FRACTURAS CAUSADAS PORREFLEXION DE LA ONDA

CONTACTO ABIERTOSIN RELLENO

CONTACTO CON AGUA

FRENTE LIBRE

GRIETAS RADIALES

AREA CON AGRIETAMIENTO

RADIAL

AREA TRITURADA

GRIETAS RADIALES INTERRUMPIDAS PORLOS CONTACTOS

20


www.intercade.org

39


Dicha onda de deformación tensional tiene una formacilíndrica en el caso que se use una MEC cilíndrica quese encuentra distribuida dentro del taladro, o podríatomar la forma esférica en el caso que se tratara deuna MEC puntual o esférica; aunque a una distanciaconsiderable del taladro con relación a su longitudpuede considerarse la detonación reducida a un puntoy, en consecuencia, la onda de propagación se puedeconsiderar como esférica.

Finalmente, se puede afirmar que la tensión soportadapor un elemento rocoso será en función inversa a ladistancia.

40


PROPAGACION

21


www.intercade.org

41


Se debe mencionar que la transmisión de lasvibraciones a través de una distancia de los taladrosrelativamente pequeña toma la forma prácticamenteelástica, mediante ondas básicamente elásticas con unconsumo de energía prácticamente despreciable, y quesu amortiguación se debe principalmente al incrementodel número de ondas (cilíndricas y/o esféricas).

En forma muy general y simplificada, la energíavibracional es directamente proporcional a la cantidadde MEC detonada, lo cual matemáticamente se puedeexpresar como sigue:

42


( )( ) ( )1→= QPE

• E: energía vibracional, es decir, la invertida en vibraciones

• Q: energía total que proporciona la detonación de la MEC y laenergía que la detonación de dicha MEC produzca

• P: proporción de la energía total que la detonación de la MECproduce, y la que generarán las vibraciones correspondientes

22


www.intercade.org

43


44


La predicción de las vibraciones inducidas por lavoladura de rocas ha sido motivo de muchasinvestigaciones.

Algunos investigadores opinan que a los resultadosobtenidos a través de varias investigaciones se debeefectuar un análisis estadístico a las vibracionesinducidas por la voladura de rocas, y también unanálisis de sensibilidad.

Por otro lado, es muy conocido que the peak particlevelocity (PPV) es el criterio principal para evaluar lasvibraciones inducidas por la voladura de rocas.

23


www.intercade.org

45


46


Cuando ambos, el peso (W) del explosivo por retardo yla distancia entre la MEC y el punto del monitoreo sondeterminados, entonces el método de la distanciaescalada el cual se refiere al parámetro puede seraplicado para predecir the peak particle velocity (PPV)para diferentes condiciones.

El valor de n puede ser 1/2 o 1/3.

Se debe mencionar que the peak particle velocity (PPV)es inversamente proporcional a la distancia escalada, yse ha estimado que la distribución de la (PPV) de unabanda de frecuencia dada es log-normal; como semuestra en la siguiente figura:

nW

D

24


www.intercade.org

47


33.1

2

2

2

1

−+Vr

De

Vr

De

De

60 0

50 0

8-0

5-5

5-2

4-5

4-0

3-5

3-02-5

2-01-5

De, detonation velocity, Km/sec.

Vr. sonic velocityof rock km7sec

De

De

1+V

rV

rDe

2

21-

332 5-0

6-0

6-5

7-0

7-5

40 0

30 0

20 0

10 0

0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

48


TIPO DE ONDAS ELASTICAS

25


www.intercade.org

49


Introducción

Como el modelo matemático que se usará en elpresente curso trata acerca de las vibracionesgeneradas por la detonación de una MEC dentro de untaladro, entonces en primer lugar se hará una revisióngeneral de las ondas sísmicas que dicha detonaciónocasiona.

TIPO DE ONDAS ELASTICAS

50


El diagrama conceptual 1 muestra un banco con taladros perforados.

26


www.intercade.org

51


El diagrama conceptual 2 muestra los taladros carga dos con una mezcla explosiva comercial.

52


El diagrama conceptual 3 muestra los taladros en el momento de la detonación de una MEC.

material de estudio parte 6

Documents