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  • CARATERISTICAS Y CONTROL DE LAS VIBRACIONES PRODUCIDAS POR ACCION DE LAS VOLADURAS EN MINAS A CIELO ABIERTO

    Germn Peralta Herrera* Rubn D. Mojica Villamizar* *Escuela de Ingeniera de Minas, U.P.T.C.

    Resumen: Para la fragmentacin de calizas se hace necesario la utilizacin de explosivos los cuales pueden generar alteraciones como vibraciones, onda area y proyecciones de roca que algunas circunstancias pueden originar daos en las estructuras prximas a los sitios de explotacin. El objetivo principal de este estudio es establecer si las perturbaciones originadas por las voladuras superan o no el umbral de dao estipulado por las normas vigentes. Si el nivel de vibraciones registrado fuera menor que el criterio de prevencin, podr incrementarse progresivamente la carga operante hasta que las intensidades de vibracin fueran iguales al valor mximo permitido.

    Abstract: For the limestone fragmentation the use becomes necessary of explosives which can generate alterations like vibrations, air wave and rock projections that some circumstances can originate damages in the structures next to the operation sites. The primary target of this study is to establish if the disturbances originated by the blasts surpass or not the threshold of damage stipulated by the effective norms. If the level of vibrations registered outside smaller than the prevention criterion, will be able to be increased the operating load progressively until the intensities of vibration were equal to the allowed maximum value.

    Palabras claves: Vibracion, voladura.

    Key Words :

    1. INTRODUCCIN La intensidad de las vibraciones terrestres y onda area en un punto determinado y que pueden causar algn tipo de molestias en las viviendas ms cercanas al punto de la voladura, vara de acuerdo a la carga del explosivo que es detonado y a la distancia de dicho punto al lugar de la voladura.

    En voladuras donde se utiliza mas de un detonador, es la carga mxima por retardo la que influye directamente en la intensidad de las vibraciones y no la carga total empleada en la voladura, siempre que el intervalo de retardo sea lo suficientemente grande para que no exista interferencias constructivas entre las sondas generadoras por los distintos grupos de barrenos.

  • 2. CARACTERSTICAS DE LAS VIBRACIONES

    La simple cada de un objeto sobre la tierra, hasta la detonacin de un explosivo enterrado, o un deslizamiento sbito a lo largo de una falla geolgica en profundidad causando un sismo, son eventos qu se transmiten a travs de los suelos o rocas. Estos movimientos de propagacin ondulatoria se dan a travs de terrenos con una velocidad de propagacin dada y que dependen de cada tipo de macizo, el cual se vera afectado por las tensiones dinmicas que la onda transporta. Estas ltimas dependen de los desplazamientos oscilatorios, respecto a su posicin de reposo, que sufren las partculas del terreno a medida que una perturbacin se propaga denominndose velocidad vibratoria. Tipos de Ondas Las principales ondas que se propagan por la corteza terrestre incluyen dos clases, las de tipo volumtrico y las de tipo superficial, a saber (Kolsky, 1963):

    Figura 1. Ondas permisibles por voladura.

    Ondas P. Longitudinales o de compresin: son aquellas que provocan la vibracin de las partculas en la misma direccin

    del radio de la onda, siendo anlogas a las ondas sonoras.

    Ondas S. Transversales o de corte: con vibracin de la partcula perpendicular al radio de la onda, teniendo una velocidad inferior a las de las ondas P y no se propaga en medios fluidos.

    Ondas R, o de Rayleigh: se propaga a lo largo de la superficie de la tierra con amplitudes que disminuyen exponencialmente con la profundidad, transportando la mayor parte de la energa ssmica (semejantes a las ondas que se crean cuando cae un objeto sobre la superficie de un lago).

    Ondas L, o de Love: resultante del movimiento plano horizontal de las partculas, sin presentar componente vertical. Kramer (1966) dice qu las tres principales caractersticas de las vibraciones son: su amplitud expresada en formas de desplazamientos, velocidades o aceleraciones y su frecuencia de duracin.

    V

    L

    T

    V = Ondas Rayleight

    L = Ondas Longitudinales

    T = Ondas Transversales

    Figura 2. Las tres componentes de vibracin en el interior del macizo al ser sometido a detonaciones de una carga explosiva. Diversos autores indican que hay una relacin directa entre la velocidad mxima de vibracin y los daos de estructuras, en funcin de

  • altas tensiones dinmicas que pueden alcanzar. Tambin se dice que las estructuras formadas por materiales de mayor impedancia sufren mas daos que otros de baja impedancia (madera, por ejemplo), cuando estn sujetas a las mismas velocidades de vibracin. Los anlisis de las vibraciones tambin pueden ser cuantificados en funcin de la velocidad vibratoria a pesar de haber algunos criterios establecidos en funcin de la aceleracin. En trminos de reaccin humana admtase un limite de precaucin en la velocidad vibratoria a 0.3 mm/seg, bien inferior a los valores que provocan daos en los edificios. Las componentes del movimiento vibratorio a lo largo de todas las direcciones en el espacio son importantes, en la medida que los problemas reales se tienen que procesar a escala tridimensional. Generacin de las vibraciones. La liberacin sbita de cualquier forma de energa en el terreno desencadena la propagacin (en todas las direcciones), de ondas volumtricas y superficiales que actan sobre personas y estructuras prximas con amplitudes de vibracin que dependen de varios factores as: a. Cantidad de energa liberada por

    el fenmeno que la ocasiona. b. Distancia entre el origen y el

    punto donde se registran los eventos.

    c. Resistencia dinmica de las estructuras y sus componentes ms frgiles.

    d. Propiedades trasmisoras o disipadoras de los terrenos involucrados.

    La complejidad de los fenmenos es elevada referente a las ondas generadas al clavar una estaca en el terreno. Es importante conocer que la intensidad de las vibraciones originadas por esta operacin, as como otras similares varen con ciertas propiedades del equipo, normalmente de las caractersticas del martillo o vibrador, la deformacin de la encabeza de la estaca, o distorsin elstica de la estaca y de la velocidad de penetracin en el terreno. As mismo la detonacin de un explosivo en el interior del macizo rocoso se caracteriza esencialmente por la generacin de ondas de tensin y compresin como resultado de la refraccin de ondas de choque provenientes de la detonacin del explosivo sobre las paredes de la cavidad donde este fue instalado. Si la forma geomtrica de la carga explosiva es cilndrica, como es frecuente, el sistema geomtrico de los frentes de onda estar constituido por una onda cnica que se propaga por el terreno circundante, reflectndose en una superficie libre ocasionando rupturas sobre la roca mas prxima.

    1

    3

    2a

    2b

    2c

    2d

    1. Cavidad del explosivo

    2. Zona de transicion

    2a. Zona hidrodinamica

    2b. Zona plastica

    2c. Zona fragmentada

    2d. Zona fracturada

    3. Zona sismica o elastica

    Figura 3. Zonas del contorno de una detonacin explosiva. La zona fracturada que rodea la carga (2a -2d), los efectos de la detonacin genera una forma de

  • vibraciones asociada a una propagacin ondulatoria, la cual se atena con la distancia segn los distintos regimenes cuando se trata de cargas explosivas esfricas o cilndricas. Medicin de las vibraciones Los registros de vibraciones se hacen a partir de modernos geofonos piezoelctricos triortogonales, recomendndose un nivel de vibracin tpico de las situaciones de referencia, para un acoplamiento de rutina en la monitorizacin de obras. Actualmente, se implementan sistemas de registro en obras que se encuentran interconectadas a computadores.

    Figura 4. Registro de contorno de una detonacin explosiva. El procesamiento de los registros obtenidos, se realiza por medio de programas que se adaptan a los datos obtenidos con los equipos segn sus requerimientos y los parmetros captados por estos, los cuales son el resultado de las transformaciones de Fourier en mayor grado, cuya funcin realizada en este tipo de trabajos es estudiar

    los parmetros medidos en el dominio de la frecuencia. 3. CONTROL DE LAS VIBRACIONES La fase mas critica del tratamiento de vibraciones consiste en su control, cuando ss efectos resultantes lo exigen.

    Figura 5. Dao por sobrecarga Para definir mrgenes de seguridad para las estructuras que soporten vibraciones, existen numerosas normas y criterios en varios pases, cuya funcin consisten establecer lmites admisibles para la amplitud de las vibraciones. Metodologa del monitoreo. a. Sitio del muestreo, este es

    determinado por la cercana e influencia por accin de las voladuras.

    Figura 6. Vista de la mina en estudio.

  • b. Situacin geogrfica, se establece la localizacin geogrfica del rea de voladura con respecto a zonas habitadas o su cercana a veredas o ciudades contiguas.

    SOGAMOSO

    BELENCITO

    TIBASOSA

    DUITAMA

    NOBSA

    SAN ANTONIO

    CHAMEZA

    AREA = 10036417.4540

    14665

    MINA

    N=1140000

    N=1135000

    N=1130000

    N=1125000

    E=1115000

    E=1120000

    E=1125000

    E=1130000

    E=1135000

    1

    2

    3

    4

    VIA FERREA VIA FER

    REA

    VIA PRINCIPAL

    Figura 7. Localizacin geogrfica del rea en estudio. c. Equipos utilizados. Minimote

    Plus, el cual consta de un geofono triaxial para captar las vibraciones terrestres y un sonmetro para captar la onda area, los cuales deben contar con certificados de calibracin.

    Figura 8. Geofono triaxial. La mayora de criterios de daos tienen en cuenta la frecuencia caracterstica de las vibraciones. Esta circunstancia de debe a la prevencin de efectos en edificios que se atribuyen a vibraciones con frecuencias prximas a la frecuencia natural de este denominado fenmeno de resonancia.

    Los datos de observacin demuestran que, a una cierta distancia de la fuente de vibraciones, o movimiento del terreno posee un pequeo intervalo de frecuencias, que es debido al efecto de filtracin del propio terreno.

    Figura 9. Ubicacin del equipo de monitoreo. La frecuencia de los movimientos ssmicos tambin influyen en los lmites de percepcin humana, siendo habitual que: cuando mayor sea la frecuencia, ms baja ser la amplitud. El criterio de prevencin mas exigente en lo que respecta a normativas internacionales para control de vibraciones, es la norma alemana DIN 4150, con una velocidad mxima de la partcula de 3 mm/s, para viviendas particularmente delicadas.

  • Para la zona de Duitama y sus alrededores el INGEOMINAS a travs de estudios anteriores aconseja un valor de aceleracin mxima de la partcula de 2.5 mm/s, mucho ms exigente que el que presenta las normas internacionales.

    4. ANALISIS DE VIBRACIONES

    MINA SAN ANTONIO

    El objetivo del estudio es establecer si las perturbaciones originadas por las voladuras superan o no el umbral de dao estipulado por las normas vigentes Para la empresa la carga operante no debe superar los 120 kg/retardo, pero por la longitud del los barrenos para esta voladura no fue considerada esta variable.

    LONGITUD DE

    LOS BARRENOS (m)

    DIAMETRO DE

    BARRENOS (mm)

    No. BARRENOS

    POR RETARDO

    CARGA OPERANTE

    (kg)

    13,5 152,4 1 148,291 Cuadro 1. Caractersticas del diseo de voladura. A pesar de que el valor de la carga operante supero el valor limite, el nivel de vibraciones registrado esta por debajo de los umbrales de dao estipulados por las normas, lo que quiere decir que las viviendas ms cercanas al sitio de la voladura no pueden ser afectadas estructuralmente esto es clave para la optimizacin de las voladuras ya que es fundamental en la disminucin de daos a las estructuras prximas y adems se eliminas los posibles conflictos con los habitantes de la comunidad de la

    Vereda de Tocogua cercana a la Mina San Antonio

    Norma DIN

    4150

    COMPONENTE SISMICA

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    Velocidad mm/s

    Transversal Vertical Longitudinal

    Voladura

    Norma

    USBM

    Figura 11. Resultados de vibracin por voladura.

    5. CONCLUSIONES

    La realizacin de monitoreos constantes en un frente de explotacin durante las voladuras permiten analizar la velocidad de la partcula como de onda area las cuales reconocen la posibilidad que se este por encima o por debajo de los umbrales de dao estipulados en las normas

    6. REFERENCIAS

    Peralta H. Germn, Optimizacin en el diseo de voladura a cielo abierto para la mina de caliza San Antonio Cementos Argos, planta CPR.

    INSTITUTO TECNOLGICO GEOMINERO DE ESPAA (ITGE). Manual de perforacin y voladura de rocas, Madrid, Espaa. 1 Edicin. 1987. 541 Pg.

    INSTITUTO TECNOLOGICO GEOMINERO DE ESPAA. Manual de restauracin de terrenos y evaluacin de impactos ambientales en Minera. 2 Edicin, Madrid, Espaa 1989. 333 Pg.

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