geomecanica minera superficial-partei intercade

7/22/2019 Geomecanica Minera Superficial-partei Intercade

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GEOMECANICA MINERASUPERFICIAL

MODULOVOLADURA CONTROLADA, ANALISIS VIBRACIONAL

Y SISMOLOGIA APLICADA A LA ESTABILIDADDEL MACIZO ROCOSO EN MINERIA SUPERFICIAL

Ph. D. Carlos Agreda TurriateConsultor Intercade

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INDICE

1. Geomecnicaminerasuperficial2.Aplicacionesdelageomecnicaalasoperacionesminerassuperficiales3.Voladuracontrolada4. Anlisisvibracionalysismologaaplicadaalaestabilidaddelmacizo rocoso5.Criterio dedao6. Sismicidadinducidayanlisisvibracional7.Instrumentacin geotcnicaconvencionalysismicidadinducida

P h. D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


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GEOMECANICAMINERA SUPERFICIAL


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GEOMECANICA MINERA SUPERFICIALIntroduccin

,como tambin en la minera artesanal, el objetivoprincipal es extraer los minerales de la corteza terrestrey comerciarlos en concentrados y/o metales, con costosoperacionales mnimos.

Pero tambin las o eraciones mineras unitarias de


perforacin y voladura de rocas en minera superficialproducen lanzamientos de fragmentos de roca yvibraciones inducidas por esta operacin.


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Para mitigar y/o evitar estos aspectos negativos de la

voladura de rocas, el ingeniero a cargo de esta operacindebe estar capacitado y actualizado para utilizar ciencia yecno og a mo ernas. e es a manera, ap car a se o emallas los diferentes modelos matemticos postulados porlos investigadores inmersos en esta materia, as como lasmetodologas que proporciona la voladura controlada.

nicamente con el uso de las metodologas de la voladura


. ,cabe mencionar que ya existe en el mercado un explosivo

con menor VOD inventado el ao 2007 en Canad por el Dr.Silva (brasileo).

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Introduccin

PROBABILIDADES, RIESGOSE INCERTIDUMBRES EN GEOMECANICA

Para comenzar se debe mencionar que el macizo rocoso

es totalmente aleatorio. Por tanto, para minimizar las

probabilidades de riesgos en la estabilidad de este se

debe aplicar ciencia y tecnologa de ltima generacin en


trminos de modelos matemticos aplicados a entornos

inciertos y ambientales.

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Por otro lado, se conoce que la ciencia de la investigacinde operaciones cuenta con modelos matemticos paracada aplicacin especfica.

Se debe tener en cuenta que para prevenir y controlar lainestabilidad del macizo rocoso se debe aplicar un modelomatemtico de simulacin que permita representar lo mscercanamente posible al macizo rocoso, incluyendo todasu caracterizacin geomecnica.


am n, se en a za que os eren es carac eres emacizo rocoso, llevados a cabo por diversosinvestigadores, son empricos y han sido para otrasrealidades.


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Un ejemplo de ello son EE. UU., Sudfrica, entre otras;por lo que se sugiere que dichas caracterizaciones seantomadas como guas para la caracterizacin del macizo

rocoso peruano y as evitar accidentes que muchas veces.


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Mortales por tipo2000-2011

DESP. DE ROCAS34%

DERRUMBE, DESLIZA-MIENTO

8%

OTROS

31%


CADAS DE PERSONAS9%TRNSITO

9%

ASFIXIA, INTOXICACIN9%


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Desde el ao 2000 a octubre del ao 2010, se registraron676 accidentes fatales en la actividad minera formal en el

Per: 447 correspondieron a empresas contratistasmineras y 229 a empresas mineras, segn las estadsticasdel Ministerio de Energa y Minas (www.minem.gob.pe).


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omo se sa e, uno e os gran es nves ga ores

relacionados con este tpico es Siskind et. Al

(1980), quien propuso los siguientes grficos donde se



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Damage probability(%) vs. particlevelocity (in/sec)


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Damage probability(%) vs. particlevelocity (in/sec)


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APLICACIONES DE LA GEOMECANICA A LAS

OPERACIONES MINERAS SUPERFICIALES


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Introduccin

APLICACIONES DE LA GEOMECANICAA LAS OPERACIONES MINERAS

SUPERFICIALES

En este tercer milenio, se debe tener en cuenta que paraefectuar las diversas labores superficiales, en primerlugar, se debe conocer las caractersticas geomecnicasde las rocas, los parmetros de detonacin y de explosinde las mezclas explosivas ms usadas a nivel mundial y el

diseo de dichas labores su erficiales.


Si conocemos las caractersticas geomecnicas delmacizo rocoso, entonces tendremos las siguientescondiciones o capacidades.


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i. Disear eficientemente las diferentes excavaciones

superficiales.ii. Proporcionar una evaluacin geomecnica global del

macizo rocoso.

iii. Estimar la calidad del macizo rocoso y de los parmetros

resistentes de las rocas: cohesin y ngulo de friccin

interna (i).

iv. Efectuar un anlisis mu minucioso ara evitar el


deslizamiento de los taludes.

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Definicin

Segn Bieniawski, es la ciencia y la ingeniera queestudian los suelos y los materiales rocosos, as como los

GEOMECANICA

macizos rocosos. Este es un campo de prcticaprofesional y de investigacin que trata de lo mencionadoanteriormente.

La geomecnica contribuye a un nmero de disciplinas:Ingeniera de Minas, Civil, Geolgica, Petrolera, de Gas

Natural. Estas disci linas son estudiadas ara disear


construir algunos proyectos, tales comominas, tneles, cimentaciones, estabilidad detaludes, piques, perforaciones en la bsqueda de petrleoy gas, etc.


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La geomecnica permite mejorar el ambiente dondevivimos y la calidad de vida de los habitantes del planetaTierra.

Ob etivos

Conocer las caractersticas geomecnicas de las rocaspara minimizar y/o evitar el deslizamiento de lostaludes.


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Para utilizar el mapeo geolgico y geomecnico de las

CARACTERIZACION GEOMECANICA DELMACIZO ROCOSO

,cuantificar sus efectos en el proceso de excavacin de dichomacizo.

A nivel mundial, existen diversos sistemas de clasificacin ycaracterizacin del macizo rocoso, pero los ms usados son

los si uientes:


Rock Quality Designation (RQD-Index)Rock Mass Rating System (RMRs-value)Rock Mass Quality (Q System-value)


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Estos sistemas han sido desarrollados principalmente paraevaluar la reduccin de la estabilidad de un macizo rocosointerceptado por algunos planos.

Sin embargo, ellostambin pueden proveercierta ayuda para estimarla influencia de lascaractersticas del macizorocoso durante el proceso


e excavac n.

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Deere(RQD)

RQD (%) Calidad de laroca

100 90 Muy buena

90 75 Buena

75 50 Mediana

50 25 Mala

25 - 0 Mu mala

10010

x

totalLongitud

cmtestigosdetotalLongitudRQD

RMR ClaseN

Clasificacin

100-81 I Roca muy buena

81-60 II Roca buena

60-41 III Roca regular

40-21 IV Roca pobre


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CORRELACION ENTRE EL RQD, EL RMR YEL Q SYSTEM

Resistencia, rigidez, tamao del bloque,

integridad estructural, estabilidad, vida til, etc.

RMR 5

Q 9

100

10000.001

0

Barton

Bieniawski

as cac n


RQD 51000

Deere

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La caracterizacin del macizo rocoso propuesta por

COMPARACION DE LOS METODOSBIENIAWSKI VS. BARTON

Bieniawski y Barton es de inters especial, puesto queincluye suficiente informacin para poder evaluar losparmetros del macizo rocoso que tienen influencia en laestabilidad de una excavacin subterrnea como entaludes en roca.

Bieniaswki da ms im ortancia a la orientacin a la


inclinacin estructural de la roca y ninguna a los esfuerzosen la roca.


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Bartonno incluye o no considera el factor de la orientacinde los contactos, pero s considera las propiedades de los

sistemas de contactos ms desfavorables al evaluar larugosidad de los contactos y su grado de alteracin. Ambosrepresentan la resistencia al esfuerzo cortante del macizorocoso.

Estos dos sistemas sealan que la orientacin y lainclinacin de las estructuras son de menos importancia, yla diferencia entre favorable y desfavorable es adecuadaara los casos rcticos.


Existen algunos materiales como la pizarra que tiene

caractersticas estructurales tan importantes que tienden adominar el comportamiento de los macizos rocosos.

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En otros casos, grandes bloques quedan aislados por

discontinuidades y causan problemas de inestabilidad

durante la excavacin, para estos casos los sistemas de

clasificacin descritos sern quizs no adecuados y se

necesitarn consideraciones especiales para la relacin

entre la geometra del macizo rocoso y la excavacin.

Cuando se trata de rocas de muy mala calidad, rocas


, ,

clasificacin de Bieniaswki es poco aplicable.


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Por tanto, en este tipo de rocas extremadamente malas serecurre al sistema de Barton. Cabe enfatizar que para

mayor seguridad estas caracterizaciones se deben tomarcomo uas es me or a licar ciencia tecnolo a conmodelos matemticos.


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RECOMENDACIONES

Se sabe que las diferentes caracterizaciones del macizorocoso que existen a nivel mundial, postuladas por los

versos nves ga ores, son emp r cas. or e o, se e entomar como tal; es decir, como una gua.

Estas caracterizaciones se han realizado en otros pasesde diferentes condiciones al Per.


debe hacerse uso de los diferentes modelos matemticosde la investigacin de operaciones y darles un cierto gradode confiabilidad.


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VOLADURA CONTROLADA


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Introduccin

La minera actual, para ser competitiva en el mercado

VOLADURA CONTROLADA

mun a , se a v s o en a neces a e ncremen ar sueficiencia, su incremento de tonelaje (produccin a granescala).

El incremento de las profundidades de los taladros aperforar y el dimetro de estos, lo mismo que la aparicin


de detonacin y explosin que los convencionales, haninfluido en la reduccin de costos de operacin.


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Sin embargo, ha resultado un incremento de concentracin

de energa en el rea del disparo, creando problemas deback break, y el sostenimiento de la roca remanente que

no debe ser afectada por las ondas de choque producidas

durante la detonacin.

Algunos investigadores plantean que debe hacerse un

anlisis de sensibilidad econmica entre el ahorro obtenido


al incrementarse el dimetro de los taladros y el costo de

los diferentes sistemas de sostenimiento.

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Tambin, plantean que la mejor solucin al problema escontrolar los efectos de la voladura, de manera que laresistencia inherente de las paredes de las labores minerasdespus del disparo no sean destruidas. Estos mtodos sonllamadosvoladuras controladas, cuyo objetivo de cada unade las tcnicas es reducir y distribuir mejor lasconcentraciones de cargas explosivas, y as disminuir elfracturamiento y el debilitamiento de las paredescircundantes.


concentracin de energa producida por la detonacin deuna carga explosiva por pie2 del rea que conforma elpermetro de la labor minera.


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Esta baja concentracin de energa en las partes finales

de las labores mineras puede conseguirse mediante lassiguientes prcticas:

Desacoplar la carga explosiva.

Espaciar la carga explosiva.

Usar explosivos con menor energa.


.

Cambiar la geometra del disparo (B y S).

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DEFINICION

Algunos investigadores a la voladura controlada tambin la, .

Existen diversas definiciones como las siguientes:

Evita daos en la roca remanente y trata de dejar unasuperficie rocosa competente, lisa y bien definidadespus de la operacin minera unitaria de voladura de

rocas de manera ue no se roduzca a rietamientos


excesivos de la roca, lo que conlleva a mejorar suestabilidad.


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Es la descripcin, el anlisis y la discusin de una serie detcnicas que sirven para mejorar la competencia del

macizo rocoso en la parte perimetral de una labor y/oexcavacin cualquiera.

Es el uso de varias tcnicas para tratar de minimizar losdaos producidos a la roca remanente en los lmites deuna labor y/o excavacin, debido a la accin de la onda dechoque subterrnea y a las altas presiones de los gasesde la explosin, generadas durante la detonacin de lasmezclas explosivas comerciales usadas en un disparo


primario.

Tambin, la definicin de voladura controlada se muestraen el siguiente diagrama conceptual.

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VOLADURA CONTROLADA

Lanzamiento Vibraciones Onda de presin

de aire Polvo Gases

Cerca al permetro(0-10 m)

Lejos del permetro(>10 m)

Voladuralisa

Precorte

La carga explosiva mxima


Voladura de cortecon detonadores

de mayor precisin

Convencionalcon detonadores

de segundo

por retardo determinar losdaos provocados a la

resistencia y a la estabilidadde la roca remanente.


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APLICACIONES DE LOS SISTEMASDE VOLADURA CONTROLADA

Los sistemas de voladura controlada pueden ser usados enlos siguientes campos:ner a super c a

Minera subterrnea Obras de ingeniera civil: construccin decarreteras, trincheras para lneas deferrocarriles, reservorios, pistas, entre otras.


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VARIABLES CONTROLADASComo ya se sabe, la voladura de rocas puede causar lossiguientes tipos bsicos de daos a la roca circundante deuna excavacin cualquiera:

a os a as pare es e p nme a amen e c rcun an es(back break, over break, crest, fracture, face looserock, entre otros).

Daos a las paredes de las labores mineras cercanas aldisparo.

Daos a las construcciones o labores mineras


.Daos a las paredes de las labores mineras debido a que

se ha hecho un disparo en una rea cercana (cuando sedispara para excavar una rea donde se va a instalar unachancadora, entre otros).


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Variables que se pueden controlarTipo de explosivoDensidad del explosivoDimetro de los taladros

Espaciamiento (S)Sobre perforacinAltura del collarAltura de taco

Por otro lado, el tipo de MEC a usarse, la densidad de


,explosivas, el dimetro de los taladros y/o mallas de

perforacin y voladura (B) y (S) pueden variar paraminimizar el fracturamiento hacia atrs y la presencia derocas sueltas.

40

EL EXPLOSIVO

Una de las maneras para evaluar algunas MEC es

producen en el momento de la detonacin.

Tambin, se sabe que la presin mxima ejercida por la

expansin de los gases provenientes de la detonacin


epen e e a s gu en e rmu a:

DfP ,12


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CALCULO DE LA PRESION DENTRODEL TALADRO

Es determinado por el Dr. Alan Bauer en la siguiente

1

2

1

6

8.0110228

DxPB

DondePB: presin del taladro (Mpa)

: densidad del ex losivo /cc


D: velocidad de detonacin (m/s)

La presin ejercida en la roca circundante es directamenteproporcional a la PB, entonces se puede disminuir la PBdisminuyendo la1y la D de la MEC.

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SISTEMAS DE LA VOLADURA

CONTROLADA MAS USADOSCOMUNMENTE

Los ue ms se usan en la minera nacional e internacionalson los siguientes:a. Perforacin en lnea (line drilling)b. Precorte (pre-splitting, pre-shearing, pre-slotting or

stress relieving)c. Precorte con espaciamiento de aire (air deck pre-

splitting)


d. Voladura de recortee. Voladura lisa (smooth blasting)f. Voladura suave (cushion blasting)g. Voladura amortiguada (buffer blasting)


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Como se mencion, la voladura controlada usa diversas

operaciones mineras subterrneas, superficiales y obrasde ingeniera civil, con el nico objetivo de proteger la

roca circundante a la labor que se est trabajando.

En el presente curso, se estudiar principalmente la

voladura controlada llamada precorte convencional y

recorte usando cmaras de aire.


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PRECORTE

(Pre-splitting, pre-shearing, pre-slotting or stress relieving)

Existen varias definiciones, entre ellas tenemos lassiguientes:

Consiste en crear un plano de contacto o de fracturas en elmacizo rocoso antes que los disparo de produccin hayansido iniciados. Esto se lograr perforando una fila detaladros generalmente de dimetros pequeos, los cualesson cargados con MEC desacopladas.


e e e menc onar que a n c ac n e os a a ros e pre-corte puede efectuarse simultneamente con los taladros

que conforman los taladros y los disparos de

produccin, pero la detonacin de los primeros deben serentre 90 a 120 m de adelanto.


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Es perforar una fila de taladros cercanamente espaciados ycon un ngulo correcto respecto del lmite de la excavacinplaneada; dichos taladros son ligeramente cargados conMEC adecuadas y deben ser detonados instantneamenteantes que el disparo de produccin se haya iniciado. Loanterior generar una falla tensional, la cual crear unafractura entre taladro y taladro, la que permitir la disipacinde las fuerzas y la expansin de los gases que provienendel disparo de produccin.

Segn Holmes, esta tcnica es la creacin en el macizo


rocoso de una superficie plana o plano de cizallamientomediante el uso controlado de las MEC y sus accesorios entaladros con un alineamiento y espaciamientos adecuados.


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El precorte convencional, como se sabe, usa cargasexplosivas desacopladas y/o espaciadas.

El diagrama presentado Tacomuestra una carga explosivadesacoplada.


arga esacop a a

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El siguiente diagrama conceptual muestra una cargaexplosiva espaciada:

ST1

E1

ST2

E2

ST3


3

ST4

E4


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El diagrama conceptual muestra el enlace entre taladrosproducido por la accin de ciertas grietas radialesgeneradas por la detonacin de una MEC, que ha sido

cargada en una cantidad mnima en cada uno de lostaladros.


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OBJETIVOSEntre los principales objetivos de esta metodologa se tienelos siguientes:

Reducir el fracturamiento hacia atrs.

Controlar el talud de las paredes finales del pit, de laschimeneas, de las galeras, de las canteras, de losbancos, entre otros.

Aislar el disparo de produccin de la roca remanentemediante la creacin de una fisura a lo largo del permetro

del dis aro. Esto se consi ue erforando una fila sim le de


taladros paralelos y cercanamente espaciados ubicados enel permetro de la excavacin Luego, dichos taladrosdeben ser cargados y detonados adecuadamente y enforma simultnea antes de la detonacin del disparo deproduccin, etc.


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LA PRESION DENTRO DE LOS TALADROS(PB)

Est definida como la presin mxima inicial (Pi)desarrollada dentro de los taladros por una detonacin decualquiera MEC.

Segn el Dr. Melvin Cook, la curva que representa a lapresin y al tiempo de una MEC cualquiera en la voladurade un taladro se caracteriza por las siguientespropiedades:


La intensidad La presin dentro del taladro (Pb) La mxima energa disponible (MAE)

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Todas las propiedades mencionadas y las condiciones decarguo determinan qu rpidamente la presin decrece

desde la presin mxima (Pi) hasta la presin efectiva final

,

fracturar al macizo rocoso.



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En una de sus tantas investigaciones, el Dr. MelvinCook demostr que para la mayora de las MEC secumple la siguiente aproximacin:

5.02

3 P

P

Donde P3 es la presin de explosin o presinadiabtica, la cual puede ser definida como la presin


po ca que po r a ser esarro a a por a exp os n euna MEC cualquiera a volumen constante y sin

transferencias de calor a las partes circundantes deltaladro.

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Generalmente por el factor de conversin para la presindentro del taladro (Pb), en lb/pulg2, y la velocidad dedetonacin (D), en pies/s, y 1 teniendo a ser de lasiguiente forma:

23106857.1 DxPb

Donde


Pb: presin dentro del taladro (psi): densidad de la MEC (g/cc)D: velocidad de detonacin de la MEC (ft/s)


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El Dr. Alan Bauer propone la siguiente expresinmatemtica para determinar la Pb.

hiei rrrrDonde ;:

4.2

231069.1

h

eb

r

rDxP

DondePb: presin dentro del taladro (psi): densidad de la MEC (g/cc)


D: velocidad de detonacin de la MEC (ft/s)re

: radio de la MEC (pulg)rh: radio del taladro (pulg)

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La ecuacin anterior es usada cuando la MEC no llenacompletamente el volumen del taladro; es decir, la MEC hasido desacoplada.Si la columna de la MEC ha sido desacoplada y

,usa algunos espaciadores, se debe usar la siguientefrmula:

4.2

231069.1

C

r

rDxP

h

eb


Donde C es el porcentaje de la columna de la cargaexplosiva total que ha sido cargada, as por ejemplo si seusa cartuchos de MEC de 12 y espaciadores tambin de12, entonces el valor deCser igual a 0.50.


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El espaciamiento entre los taladros del precorte puedeser expresado matemticamente de la siguiente

manera:

T

TPrS bb

2

DondeS: espaciamiento entre los taladros (pulg)r : radio del taladro (pulg)


2rb: dimetro del taladro en pulgadasPb: presin dentro del taladro (psi)T: resistencia tensional de la roca (psi)

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30

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Dimetro de lostaladros (pulg)

Espaciamiento(ft)

Carga explosiva(lb/Ft)

1.50-1.75 1.00-1.50 0.08-0.25

2.00-2.50 1.50-2.00 0.08-0.25

3.00-3.50 1.50-3.00 0.13-0.50

4.00 2.00-4.00 0.25-0.75


Tabla que muestra algunas especificaciones genricas

promedio para el precorte.

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Grfico que muestra los rangos recomendados para losespaciamientos de los taladros como una funcin del dimetro de

estos para el precorte.

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