Nomograma para el cálculo de la piedra de una voladura a cielo abierto según Ash

En un artículo anterior, presentamos el método de Langefors y Kihlström para voladuras en banco de pequeño diámetro. En él se incluía una fórmula para calcular el valor de la piedra, también conocido como valor de mínima resistencia o burden. Sin embargo, existen otros métodos para calcular este valor. En otro artículo también resolvimos este problema, incluyendo cinco métodos y dos nomogramas originales para su cálculo.

Aquí vamos a presentar un nuevo nomograma basado en la metodología de Ash (1963) y la resolución de un problema. Esta metodología es popular debido a su simplicidad, pero solo es apropiada para el diseño de voladuras al aire libre.

Agradezco sinceramente la colaboración de los profesores Pedro Martínez Pagán, Daniel Boulet, y Leif Roschier en la elaboración de este nomograma. A continuación, comparto el nomograma junto con la solución correspondiente del problema. Espero que esta información sea de utilidad e interés para mis lectores.

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Referencias:

  • DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
  • INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

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Construcción de túneles mediante perforación y voladura

Figura 1. Operaciones básicas integrantes del ciclo de excavación de túneles con explosivos

A pesar del avance tecnológico, la técnica de perforación y voladura sigue siendo popular en la excavación de túneles debido a sus ventajas. A diferencia de la excavación mecánica, la técnica de explosivos es versátil, trabajando con varios tipos de roca y secciones de obra. Además, se adapta a otros trabajos, es fácilmente transportable y la inversión inicial es reducida. Se trata de un método de frente abierto, que consiste básicamente en la realización de unos taladros que posteriormente se cargan con explosivos y se detonan. Los gases de la explosión penetran en las fracturas y desmenuzan la roca.

La técnica de arranque con explosivos se utiliza en rocas de alta resistencia con una velocidad sísmica del orden de 2000 a 2500 m/s, dependiendo de las condiciones del terreno o de la abrasividad de las rocas. Es aplicable a rocas con una resistencia a la compresión de 80 MPa o superior, incluso las más duras, lo que la hace más eficiente que la excavación mecánica. En estos casos, la excavación mecánica puede resultar antieconómica debido a la pérdida de rendimiento y el consumo de elementos de desgaste. Además, la técnica de perforación y voladura es más flexible y puede adaptarse a cambios litológicos o trastornos tectónicos en el terreno.

La técnica de excavación con explosivos consiste en realizar taladros en el frente de excavación, cargarlos con explosivos y detonarlos. Para perforar se emplean equipos como “jumbos” o carros perforadores. Uno de los principales objetivos de una buena voladura es evitar el deterioro excesivo de la roca circundante a la excavación, ya que una voladura inadecuada puede provocar sobreexcavaciones y caídas de bloques que generan problemas de estabilidad adicionales. Por lo tanto, es necesario efectuar voladuras controladas y técnicas como el precorte o las voladuras suaves para minimizar el daño estructural al terreno. En la Figura 1 se muestran las operaciones básicas que componen el ciclo de excavación de túneles con explosivos.

Los taladros se ajustan a una longitud de avance de entre 1 y 4 metros, según la resistencia de la roca. Aunque hay diferentes disposiciones de taladros, todas ellas deben atenuar el confinamiento generado por la onda expansiva, ya que solo hay una cara de salida disponible.

Figura 2. Zonas de una voladura en un túnel

La técnica de voladura en el frente de ataque consiste en una explosión controlada que se lleva a cabo mediante una secuencia. Se utilizan detonadores de retardo de milisegundos para activar las diferentes áreas de la carga en momentos distintos. Es necesario que en un principio se cree un hueco libre con los barrenos de cuele y contra-cuele, hacia el cual romperán las cargas restantes de la sección. Luego, se vuela la destroza y se da forma a la sección del túnel con los barrenos del piso (zapateras) y los barrenos de recorte o contorno.

La excavación de túneles puede llevarse a cabo en secciones completas o, si son demasiado grandes, por fases, empleando galerías de avance, destrozas laterales y/o banqueo del suelo. Los jumbos modernos presentan una ventaja significativa en comparación con los topos y minadores. A diferencia de los topos que solo pueden excavar secciones circulares y de los minadores que tienen una capacidad de cobertura limitada, los jumbos actuales pueden utilizarse para trabajos de perforación para el sostenimiento y tienen una gran movilidad que les permite desplazarse fácilmente de un frente a otro.

En términos de inversión, los equipos de perforación tienen un costo inferior en comparación con los minadores o topos para una misma sección de excavación. Por lo tanto, en obras lineales de reducida longitud, es el sistema más recomendable para su amortización e incluso se puede destinar a la ejecución de otras obras distintas.

Sin embargo, el arranque con explosivos presenta algunos inconvenientes en comparación con la excavación mecánica. Por ejemplo, los perfiles de excavación pueden ser más irregulares y la alteración del macizo rocoso remanente puede ser intensa si las voladuras no se disparan empleando técnicas de contorno en el perímetro. Ambos aspectos pueden aumentar los costos del sostenimiento y, sobre todo, del revestimiento mediante hormigonado.

Además, si se realizan perforaciones con explosivos en zonas urbanas, las vibraciones generadas por las voladuras pueden ser un factor limitante. Es necesario proteger la integridad de las edificaciones y otras estructuras subterráneas y evitar las molestias a las personas.

Ciclo básico de perforación y voladura

En primer lugar, es importante tener en cuenta que la excavación de túneles en roca usando la perforación y los explosivos es una operación cíclica y no continua.

El ciclo básico de excavación mediante perforación y voladura consta de las siguientes operaciones. Si solo se excava la parte superior y un banco en lugar de todo el frente, se tendrá un ciclo doble más complejo:

  • Perforación de barrenos en el frente a un patrón y profundidad adecuados.
  • Retirar el equipo perforador.
  • Carga del explosivo y retirada del personal.
  • Detonado de las cargas.
  • Evacuación de humos y ventilación.
  • Saneo de los hastiales y bóveda y bulonado.
  • Carga y transporte del escombro.
  • Labores de sostenimiento y gunitado.
  • Replanteo de la nueva voladura.

El tiempo que se tarda en completar un ciclo de excavación para un túnel con sección completa o de calota, en caso de que el avance se realice en varias fases, suele ser de uno a dos turnos, según la sección y el tipo de sostenimiento requerido. La distribución de tiempos suele seguir la tabla que se presenta a continuación:

Perforación de barrenos 10 – 30%
Carga del explosivo 5 – 15%
Voladura y ventilación 5 – 10%
Saneo y desescombro 15 – 35%
Sostenimiento 65 – 10%

En la tabla se puede observar que el tiempo destinado al sostenimiento en la sección de avance puede llegar a superar el 50% de la duración total del ciclo en los casos más desfavorables. Por otro lado, en la sección de destroza, estos tiempos suelen ser generalmente del orden de la mitad e incluso inferiores.

En general, se recomienda utilizar una tuneladora (TBM) para excavar túneles de más de 4,5 km de longitud y la técnica de perforación y voladura para túneles de menos de 1,5 km (ver Figura 3). Sin embargo, es importante tener en cuenta que esta es una guía general y que cada proyecto debe ser evaluado en función de factores específicos que puedan influir en la elección del método de excavación. Por ejemplo, puede haber casos en los que un túnel de 5 km se excave mediante la técnica de perforación y voladura en lugar de un TBM, o viceversa, en función de factores como la geología, la geometría, el impacto ambiental y los plazos de ejecución. Para los túneles cuya longitud está comprendida entre los 1,5 km y los 4,5 km, los costos de ejecución pueden ser similares, pero se deben tener en cuenta otros factores para tomar una decisión informada sobre el método de excavación más adecuado.

Figura 3. Coste según longitud del túnel excavado para los métodos con TBM y perforación y voladura. https://bestsupportunderground.com/tbm-perforacion-voladura/

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

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Métodos de cálculo de la piedra en una voladura en banco de una cantera

Figura 1. Esquema de la piedra V efectiva, también llamada burden o valor de mínima resistencia

En un artículo anterior, presentamos el método de Langefors y Kihlström para voladuras en banco de pequeño diámetro. En él se incluía una fórmula para calcular el valor de la piedra, también conocido como valor de mínima resistencia o burden. Sin embargo, existen otros métodos para calcular este valor.

El problema que se presenta a continuación incluye cinco métodos y dos nomogramas originales para su cálculo. Al comparar los resultados, es evidente que son bastante similares. No obstante, es posible que la piedra calculada tenga un margen de error que puede corregirse en las siguientes voladuras.

Agradezco sinceramente la colaboración de los profesores Pedro Martínez Pagán y Trevor Blight en la elaboración de los nomogramas. A continuación, comparto estos nomogramas junto con la solución correspondiente del problema. Espero que esta información sea de utilidad e interés para mis lectores.

 

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Referencias:

LANGEFORS, U.; KIHLSTRÖM, B. (1963). Técnica moderna de voladuras de rocas. Editorial URMO, Bilbao, 425 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

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Método de Langefors y Kihlström para voladuras en banco de pequeño calibre

Figura 1. Esquema de una voladura en banco.

Las voladuras en banco de pequeño calibre son aquellas cuyo diámetro de barreno se encuentra entre 65 y 165 mm. Las cargas son cilíndricas alargadas, con una relación de longitud de carga mayor a 100 veces el diámetro. Suelen disponer de un tipo de explosivo en fondo y otro en columna y sus consumos específicos son relativamente bajos, con inclinaciones de barrenos de 1:2 a 1:3. Para este tipo de voladuras, se suele aplicar la técnica sueca de diseño y cálculo de voladuras, o teoría de Langefors y Kihlström (1963).

Según estos autores, la disposición de los barrenos, la cantidad de carga y la secuencia de rotura constituyen los principales problemas que deben determinarse en una voladura. Cuando la altura del banco supera dos veces el valor de la piedra (línea de mínima resistencia, también llamada burden), se usan cargas selectivas. En el fondo del barreno se requiere una cantidad de energía por unidad de longitud superior a unas 2,5 veces la energía necesaria para la rotura de la columna.

Figura 2. Voladura en banco. https://eadic.com/blog/entrada/voladuras-parametros-de-diseno/

La teoría de la escuela sueca se ha desarrollado para tipos de roca más o menos homogéneos, es decir, rocas duras y compactas. Además, trabaja con alturas de banco relativamente altas, típicas de la explotación de canteras, grandes excavaciones de obras públicas y minería a cielo abierto de pequeña escala. La teoría se desarrolló principalmente para rocas duras y diámetros pequeños.

La formulación que calcula la piedra se basa, en una primera aproximación, en que la piedra máxima es igual a 30 veces el diámetro del barreno, afectado por un coeficiente de corrección. Este coeficiente depende de la densidad y potencia relativa en peso del explosivo, de la relación entre el espaciamiento y la piedra, de la inclinación de los barrenos y de un factor de roca. El factor de roca sería la cantidad de explosivos, en kg, necesaria para arrancar un metro cúbico de roca. El factor de roca c = 0,4, se corresponde a un granito; en el caso de una caliza estará algo sobredimensionado, pero del lado de la seguridad. En cualquier caso, la piedra calculada tendrá un error de un 10%, por arriba o por abajo, que puede subsanarse en las siguientes voladuras.

Para aclarar cómo se realiza el diseño aplicando la técnica sueca, os dejo un problema resuelto que, espero, os sea de interés. También os dejo un nomograma original para el cálculo de la piedra teórica de una voladura según la formulación de Langefors y Kihlström (1963), elaborado en colaboración con el profesor Pedro Martínez Pagán.

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Referencias:

LANGEFORS, U.; KIHLSTRÖM, B. (1963). Técnica moderna de voladuras de rocas. Editorial URMO, Bilbao, 425 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

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