Principios Fundamentales del Diseño de Voladuras y Sistemas de Iniciación

Sistemas de Iniciación de Voladuras

Sistemas No Eléctricos: Primadet

El sistema Primadet es un compuesto que combina las características del cordón detonante y el tubo de choque en la tronadura. Ofrece múltiples ventajas:

• Seguridad: No es afectado por cargas estáticas, llamas abiertas, fricción o impacto.
• Simplicidad: Su uso es sencillo y directo.
• No eléctrico: Elimina los riesgos asociados a la electricidad (corrientes parásitas, tormentas eléctricas).
• Silencioso: Genera un bajo nivel de ruido en superficie.
• Económico: Presenta una buena relación costo-beneficio.

Dentro de esta categoría se encuentran variantes como:

• EZDET: Caracterizado por un tubo de señal largo, adaptable a la geometría de la voladura.
• Detonador Primadet (Carga de fondo): Diseñado para iniciar la carga principal en el fondo del pozo.
• Primadet de baja potencia: Para aplicaciones que requieren menor energía de iniciación.

Detonadores Electrónicos

Representan la última generación de detonadores, destacando por una dispersión casi nula en los tiempos de retardo asignados, lo que permite una secuenciación extremadamente precisa. A pesar de ser más costosos, sus características son superiores:

• Rango de retardo: De 1 a 4000 ms.
• Precisión: Inferior a 1 ms.
• Capacidad: Hasta 1200 detonadores por voladura.
• Comunicación: Es bidireccional, permitiendo verificar el estado de cada detonador.
• Seguridad: Se desactivan automáticamente si no reciben la señal de disparo.

Criterios para la Selección de Accesorios y Sistema de Iniciación

La elección del sistema de iniciación y sus accesorios depende de múltiples factores:

• Tipo y características del explosivo a utilizar.
• Dispersión de tiempo de retardo admisible con respecto al nominal.
• Tamaño de la voladura y restricciones de nivel de vibraciones y proyecciones.
• Condiciones ambientales y de almacenamiento.
• Precio frente a la capacidad económica del proyecto.
• Restricciones específicas in situ.
• Secuencia de salida requerida para optimizar la fragmentación y el esponjamiento.

Diseño y Cálculo de Voladuras

El objetivo principal del diseño de voladuras es maximizar la energía del explosivo utilizada para fragmentar y desplazar eficientemente el macizo rocoso, y a su vez, minimizar la energía que genera efectos indeseados (vibraciones, onda aérea, proyecciones) que puedan dañar la roca remanente o estructuras cercanas.

Mecanismos de Fragmentación de la Roca

La fragmentación del macizo rocoso ocurre a través de varios mecanismos combinados:

• Trituración en la zona cercana al pozo.
• Fracturamiento radial.
• Reflexión de ondas y descostramiento en caras libres.
• Penetración de gases en las fracturas.
• Pandeo del burden.
• Choque por desplazamiento entre bloques.
• Choque en el piso del banco.

Teorías de Fracturación

Existen varias teorías que explican cómo se fractura la roca durante una detonación:

1. Teoría de la Reflexión

El descostramiento se produce de forma secuencial. La onda de compresión generada por el explosivo viaja a través de la roca y, al llegar a una cara libre (una superficie expuesta), se refleja como una onda de tensión. Como la roca es mucho menos resistente a la tensión que a la compresión, este esfuerzo de tensión provoca el descostramiento o spalling.

2. Teoría de la Expansión de Gas

Las grietas radiales se forman debido a la altísima presión de los gases generados en los pozos. Estos gases penetran en las grietas iniciales, extendiéndolas y provocando el desplazamiento de los bloques de roca una vez que la fractura se ha propagado.

3. Teoría de Cúmulos (Cluster Theory)

Sostiene que nuevas fracturas se forman a partir de fracturas y discontinuidades preexistentes en el macizo rocoso, especialmente cerca de la cara libre. Este proceso puede ocurrir incluso antes de que se desarrollen completamente las fracturas radiales. Las rocas masivas se fracturan más rápidamente bajo este mecanismo.

4. Teoría Combinada

Esta es la teoría más aceptada y postula que la fragmentación es un proceso combinado. Inicialmente, una parte de la roca se fractura por el esfuerzo compresivo inducido por la onda de choque. Posteriormente, esta onda alcanza una cara libre, donde se refleja como un esfuerzo de tensión. Es esta tensión la que produce la mayor parte de la fracturación y fragmentación final, aprovechando que los materiales rocosos son significativamente menos resistentes a la tensión que a la compresión.

Etapas de la Detonación

1. Detonación del explosivo: Reacción química ultrarrápida que genera una onda de choque y gases a alta presión.
2. Propagación de ondas de compresión y tensión: La onda de choque se propaga por el macizo, fracturándolo y reflejándose en las caras libres.
3. Expansión de gases: Los gases a alta presión penetran en las grietas, las expanden y desplazan la roca ya fracturada.

Nota: A menor distancia del pozo, mayor es la presión de detonación ejercida sobre la roca.

Energía del Explosivo y su Distribución

La energía liberada por el explosivo se entrega a la roca de diferentes formas:

• Energía de choque (o de tensión): Generada por la onda de detonación, es la principal responsable de crear nuevas fracturas.
• Energía de gases (o de burbuja): Proveniente de la presión de los gases, se encarga de extender las fracturas existentes y desplazar el material fragmentado (esponjamiento).
• Energía térmica: Calor desarrollado durante la reacción.

Esta energía se utiliza para realizar el trabajo útil (crear nuevas fracturas, extender las existentes y desplazar el centro de gravedad de la masa rocosa hacia adelante), pero también genera efectos indeseados como flyrock (proyecciones), vibración excesiva y onda aérea (airblast).

Para rocas masivas y competentes, se requiere generar una gran cantidad de fracturas nuevas para obtener una fragmentación adecuada. Esto se logra con explosivos de altas VOD (Velocidad de Detonación) y densidades, que maximizan la energía de choque sobre la energía de gases.

Parámetros de Diseño en una Voladura de Producción

El éxito de una voladura depende del control y la optimización de numerosas variables:

Variables Geométricas

• Diámetro de perforación: Determina la cantidad de explosivo por pozo.
• Altura del banco: La altura vertical de la cara a volar.
• Profundidad de perforación: Longitud total del pozo.
• Pasadura: Perforación adicional por debajo del nivel del piso del banco para asegurar una rotura completa.
• Taco: Material inerte que confina la energía en el pozo. Se define su altura y el tipo de material.
• Altura de la columna de carga: Longitud del pozo cargada con explosivo.
• Burden y espaciamiento: Distancias clave que definen el patrón de perforación.
• Patrón de tronadura: Disposición de los pozos (malla cuadrada, rectangular, alternada).
• Dirección de la voladura: Orientación de la salida del material.
• Cara libre: Número y disposición de las caras libres disponibles.

Variables del Explosivo y la Iniciación

• Tipo de explosivo: Selección según las características de la roca y los objetivos.
• Energía del explosivo: Cantidad de energía por unidad de masa o volumen.
• Geometría de la carga: Distribución del explosivo dentro del pozo (cargas de fondo, de columna, cebos).
• Sistema de iniciación: Elección entre sistemas eléctricos, no eléctricos o electrónicos.
• Secuencia de iniciación: Tiempos de retardo entre pozos y filas para controlar el movimiento y la fragmentación.

Variables Operacionales

• Tiros de amortiguación (buffer): Filas de pozos detonados previamente que pueden afectar el confinamiento.
• Presencia de agua: Afecta la selección del explosivo y el método de carguío.

Definiciones Clave: Burden y Espaciamiento

Burden

Es la variable más crítica en el diseño de una voladura. Se puede definir de varias formas:

• Definición general: Es la línea de menor resistencia, es decir, la distancia desde el centro de la carga explosiva hasta la cara libre más cercana.
• Burden geométrico: En una malla de perforación, es la distancia perpendicular entre filas de pozos.
• Burden teórico (o dinámico): Es la distancia entre una perforación y la cara libre más cercana en el instante preciso de su detonación, considerando el movimiento de la roca generado por las detonaciones anteriores.

Espaciamiento

Es la distancia entre pozos o tiros contiguos dentro de una misma fila. Generalmente, se calcula como una función o proporción del burden geométrico para asegurar una interacción adecuada entre las cargas y una fragmentación uniforme.