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Captulo 16
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MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA
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INTRODUCCION
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Durante la detonacin de una carga de explosivo en el interior de la roca, las condiciones de solicitacin que se presentan estn caracterizadas por dos fases de accin: 1.a fase: Se produce un fuerte impacto debido a la onda de choque, vinculada a la Energa de Tensin, durante un corto espacio de tiempo. Actan los gases producidos detrs de la zona de reaccin que a alta presin y temperatura son portadores de la Energa Termodinmica o de Burbuja.
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2.a fase:
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miento de la carga a las paredes del barreno. Segn Duvall y Atchison (1957) con explosivos de alta potencia y en rocas porosas puede llegar a tener un radio de hasta 8 D, pero lo normal es que oscile entre 2 y 4 D. En la Fig. 16.1, se muestra la variacin de las tensiones de compresin generadas por dos cargas de explosivo acopladas. La trituracin de la roca se produce a una presin de 4 GPa, por lo que la curva (A) del explosivo que produce en la pared del barreno una tensin de 7 GPa tiene un gradiente de cada muy acusado, debido al gran aumento de superficie especfica que tiene lugar durante la pulverizacin de la roca. Como el explosivo (B) no aumenta la superficie especfica por trituracin, presenta una pendiente de cada de tensin ms atenuada que el (A).lO,o
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Desde la dcada de los aos 50, se han desarrollado diversas teoras para explicar el comportamiento de las rocas bajo los efectos de una explosin, siendo an hoy uno de los problemas a resolver y definir en la tecnolo.ga de aplicacin de los explosivos al arranque. Prescindiendo de un anlisis detallado de cada una deesas teoras, se describen seguidamente los distintos mecanismos de rotura de la roca identificados en las voladuras en el estado actual de conocimiento.
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2.
MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA
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En la fragmentacin de materiales rocosos confexplosivos intervienen, al menos, ocho mecanismos de rotura, con mayor o menor responsabilidad, pero partcipes todos en los resultados de las voladuras.
DISTANCIA
A LA
PARED
DEL
BARRENO
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Figura 16.1." Variacin de la tensin de pico con la distancia a la pared del barreno (Hagan).
2.1. Trituracin de la roca En los primeros instantes de la detonacin, la presin en el frente de la onda de choque que se expande de forma cilndrica alcanza valores que superan ampliamente la resistencia ainmica a compresin de la roca provocando la destruccin de su estructura intercristalina e intergranular. El tamao del anillo de roca triturada aumenta con la presin de detonacin del explosivo y con el acoplaSegn Hagan (1977) este mecanismo de rotura consume casi el 30% de la energa que transporta la onda de choque, colaborando en la fragmentacin de la roca con un volumen muy pequeo, del orden del 0,1% del volumen total que corresponde al arranque normal de un barreno. No hay pues, ningn incentivo para utilizar explosivos potentes que generen tensiones en la roca de las paredes de los barrenos muy elevadas, de ah que en algunos casos se aconseje el desacoplamiento 209
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'-de las cargas y el aumentoET.
de la ES
a costa de laFRACTURAS CREADAS POR OESCOSTRAMIENTO
'2.2. Agrietamiento radialZONA DE INTENSA FRACTURACIQN RADIAL
Durante la propagacin de la onda de choque, la roca circundante al barreno es sometida a una intensa compresin radial que induce componentes de traccin en los planos tangenciales del frente de dicha onda. Cuando las tensiones superan la resistencia dinmica a traccin de la roca se inicia la formacin de una densa zona de grietas radiales alrededor de la zona triturada que rodea al barreno.
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JUNTA RELLENA DE AGUA FRACTURAS RADIALES INTERCEPTADAS POR UNA JUNTA
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Figura 16.3. Agrietamiento radial y rotura por reflexin de la onda de choque.
'libre se generan dos ondas, una de traccin y otra de cizallamiento. Esto suceder cuando las grietas radiales no se hayan propagado ms que una distancia equivalente a u n tercio de la que existe desde la carga a esa superficie libre. Aunque la magnitud relativa de las energas asociadas a las dos ondas dependen del ngula de incidencia de la onda de choque primaria, la fracturacin es causada generalmente por la onda de traccin reflejada. Si las tensiones de traccin su peran la resistencia dinmica de la roca se producir hacia el interior el fenmeno conocido por descostramiento o spalling. En las rocas las resistencias a traccin alcanzan valores entre un 5 y un 15 % de las resistencias a compresin. El frente de la onda reflejada es ms convexo que el de la onda incidente, por lo que el ndice de dispersin de la energa de la onda de traccin es mucho mayor cuando la superficie es clndri"ca, como la del barreno centrl de un cuele, que cuando se dispone de un plano como sucede en una voladura.
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COMPREsrON TRAccrON
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Figura
16.2.
Agrietamiento radial.
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El nmero menta con:
y longitud
de esas grietas
radiales
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1. La intensidad
de la onda de choque en la pared del barreno o en el lmite exterior del anillo de roca triturada, y disminucin de la resistencia dinmica a traccin Energa de la roca y el factor de Tensin. de atenuacin de la
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2.
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Detrs de esa zona interior de intenso agrietamiento, algunas fracturas progresan de forma importante distribuidas aleatoriamente alrededor del barreno. La velocidad de propagacin de las grietas es de 0,15 a 0;-40 .~ veces la de la onda de choque, aunque las primeras microfisuras se desarrollan en un tiempo m,vy pequeo del orden de 2 ms. Cuando la roca presenta fracturas naturales la extensin de las grietas guarda una estrecha relacin con stas. Si las columnas de explosivo son intersectadas longitudinalmente por fracturas existentes, stas se abrirn por efecto de la onda de choque y se limitar el desarrollo de las grietas radiales en otras direcciones. Las fracturas paralelas a los barrenos pero a alguna distancia de stos, interrumpir?n la propagacin de las grietas radiales. Fig. 16.3.
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"-Figura 16.4. Reflexin de una onda sobre una cavidad cillndrica.
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2.3.
Reflexin
de la onda de choque alcanza una superficie
Cuando 210
la onda de choque
Este mecanismo contribuye relativamente poco al proceso global de fragmentacin, estimndose que la carga de explosivo necesaria para produci r la rotura de la roca por la accin exclusiva de la reflexin de la onda de choque sera ocho veces mayor que la carga nor-
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mal. Sin embargo, en las discontinuidades internas del macizo rocoso que estn prximas a la carga, esto es a distancias menores de 150, y no se encuentran rellenas con material de meteorizacin, el efecto de esta reflexin de las ondas es mucho ms significativo por la diferencia de impedancias. En la excavacin de rampas 'inclinadas o pozos con voladuras debe comprobarse que los barrenos vacos no estn llenos de agua con el fin de aprovechar los efectos de este mecanismo de rotura.
2.6. Fracturacin por CizallamientoEn 'formaciones rocosas sedimentarias cuando los estratos presentan distintos mdulos de elasticidad o parmetros geomecnicos, se produce la rotura en los planos de separacin al paso de la onda de choque por las tensiones diferenciales o cortantes en dichos puntos. Fig. 16.6.ESTRATO X
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2.4.
Extensin
y apertura de las grietas radialesCARGA
FASE D[
TRACCI~N
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Despus del paso de la onda de choque, la presin de los gases provoca un campo de tensiones cuasiesttico alrededor del barreno. Durante o despus de la formacin de las grietas radiales por la componente tangencial de traccin de la onda, los gases comienzan a expandirse y penetrar en las fracturas. Las grietas radiales se prolongan bajo la influencia de la concen-
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DE
EXPLOSIVO
:, ESTRATO
tracin de tensiones en los extremos de las mismas. El"Tiempo=ti
,/ nmero y longitud de las grietas abiertas y desarrolladas depende fuertemente de la presin de los gases, por lo que un escape prematuro de stos por un retaI cado insuficiente o por la presencia de alguna zona dbil del frente libre puede conducir a un menor apro,/
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Figura 16.6. Fracturacin por ciza/lamiento (Hagan).
vechamiento de la energia del explosivo.2.5.
2.7.
Rotura por flexin
Fracturacin por liberacin de carga
I
Antes de que la onda de choque alcance el frente libre efectivo, la energia total transferida a la roca por la compresin inicial vara entre el 60 y el 70% de la
I
energia de la voladura (Cook et al 1966). Despus del
paso de la onda de compresin, se produce un estado de equilibrio cuasi-esttico seguido de una cada s" bita de presin en el barreno, debida al escape de los I gases a travs del retacado, de las fracturas radiales y al desplazamiento de la roca. La Energa de Tensin almacenada se libera muy rpidamente, generndose / solicitaciones de traccin y cizallamiento que provocan la rotura del macizo. Esto afecta a un gran volumen de roca, no slo por delante de los barrenos, sino incluso por detrs de la lnea de corte de la voladura, habindose llegado a identificar daos a distancias de varias decenas de metros. Fig. 16.5. .r
Durante y despus de los mecanismos de agrietamiento radial y descostramiento: la presin ejercida por los gases de explosin sobre el material situado frente a la columna de explosivo hace que la roca acte como una viga doblemente empotrada en el fondo del barreno y en la zona del retacado, producindose la deformacin y el agrietamiento de la misma por los fenmenos de flexin. Fig. 16.7.2.8.
Rotura por colisin
.
Los fragmentos de roca creados por los mecanismos anteriores y acelerados por los gases son proyectados hacia la superficie libre, colisionando entre
s y dando lugar a una fragmentacin adicional, quese ha puesto de manifiesto en estudios con fotografas ultrarrpidas (Hino, 1959; Petkof, 1961).
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