blast ware

V Simposium Internacional de Tecnologa de la Informacin Aplicada a la Minera 14 17 de septiembre, 2004 Lima-Per

EL BLASTWARE III E MLINREG.BAS COMO HERRAMIENTAS PARA LA PREVENCIN Y CONTROL AMBIENTAL DE VIBRACIONES EN VOLADURAS

Vidal Navarro Torres, Ph.D., [email protected] de FCT y del Centro de Geotecnia del IST de la Universidade Tcnica de Lisboa

Pedro Marques Bernardo, M.Sc., [email protected] del Centro de Geotecnia y Profesor del IST de la Universidade Tcnica de Lisboa

RESUMEN Trabajos de explotacin de minas e excavaciones con uso de explosivos en reas prximas a centros urbanos o poblaciones, generan problemas ambientales diversos y entre ellos los relacionados a las vibraciones, que por causa de la voladura pueden generar daos de estructuras y tambin causar perturbacin humana. Para realizar la prevencin y control de vibraciones ocasionadas por las voladuras, una metodologa muy utilizada es establecer la ley de propagacin de la velocidad de partculas considerando el tipo de macizo rocoso, la carga explosiva y la distancia. Una vez establecida esta ley es posible implementar medidas de prevencin y control que permitan atenuar y evitar los daos estructurales y humanos. El trabajo de caracterizacin de la ley de propagacin de la velocidad de partculas, requiere un cuidadoso trabajo de mediciones en determinadas condiciones de voladuras y para diferentes distancias utilizando sismgrafos. Actualmente estos equipos son de alta sensibilidad, e pueden trabajar con muchos canales y gefonos simultneamente, registrando en su memoria los eventos de las vibraciones. Los eventos de vibraciones guardados en la memoria del sismgrafo pueden ser transferidos a un ordenador y ser analizados, utilizando el programa BLASTWARE III, la variacin tridireccional de velocidades, las frecuencias dominantes, etc. Los resultados del anlisis de los eventos de vibraciones permiten obtener informacin para determinar la ley de propagacin de la velocidad de vibracin de partculas mediante la tcnica de regresin mltiple con uso del programa MLINREG.bas. El presente trabajo incluye una propuesta de un procedimiento (metodologa) a aplicar a este tipo de situaciones, mostrado en un flujograma que detalla todos los pasos, ejemplificados con casos portugueses.

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1. INTRODUCCIN La voladura de rocas fue considerada como arte, basada en la experiencia y pericia de los operadores. En la actualidad y cuando las exigencias ambientales son cada vez mas restrictivas, se necesita aplicar procedimientos cientficos y fundamentos basados en conceptos de la Dinmica de Rocas, aspecto que permite conocer mejor la accin de los explosivos en los macizos rocosos, en funcin de los mecanismos de rotura y respectivas propiedades geomecnicas. La falta de considerar los parmetros geolgicos, estructurales y mecnicos de la roca a ser volada y de los procedimientos de prevencin y control, las voladuras pueden causar grandes magnitudes de impactos ambientales, que generalmente es debido a la aplicacin de excesiva carga explosiva, que pude ir mas all de lo requerido para fragmentar la roca. La mitigacin o reduccin, de los impactos ambientales relacionados con voladuras, exige un adecuado dimensionamiento de los parmetros del plano de perforacin y voladura sea en voladura superficial o subterrnea. En este plano deben ser definida una adecuada malla de perforacin, su profundidad, sus respectivas cargas y la secuencia de salida (Bernardo, 2003). Segn Dinis da Gama (1998), slo cerca de 5 a 15 % de la energa liberada en la voladura de rocas, son efectivamente aprovechados para fragmentar la roca. Por lo que la mayor parte de la energa contenida en los explosivos es transferida al ambiente circundante en forma de efectos colaterales, susceptible de causar impactos significativos. De esos efectos, son cinco los que se destacan: vibraciones transmitidas a los macizos y a las estructuras adyacentes, onda area (ondas de choque que se propagan a travs de la atmsfera conocidos como airblast y tambin manifiestos en forma de ruido), proyeccin de fragmentos de roca, creacin de polvos y sobrerrotura del macizo rocoso. Las vibraciones constituyen la causa mas comn de las preocupaciones y de protestas de las personas afectadas en las vecindades de los trabajos de voladura. En algunos casos estos reclamos pueden ser debido al desconocimiento de la comunidad o por la accin de sorpresa causada por el disparo. Por lo tanto, los disparos deben ser efectuados en conformidad con la legislacin y en horarios propicios, por que el choque y la ansiedad generados por los eventos de vibracin, estimulan a los propietarios a procurar daos estructurales en sus propiedades y afecciones fsicas. El limiar de la percepcin humana (sujeto a la susceptibilidad de cada individuo), es muchas veces la base de reclamos por parte de terceros que, al sentir los disparos, pueden imputar a los trabajos de excavacin todos los

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daos ocurridos en sus residencias, a pesar de que las intensidades de vibracin sean considerablemente inferiores a los lmites mximos admisibles. El limiar de la percepcin humana, establecidas por varios autores obedecen a los criterios siguientes: que dependen solamente de la amplitud de la vibracin por ejemplo, Kiely (1999) admite que el limiar de la percepcin humana es igual a 0.3 mm.s-1. Los que definen niveles de vibraciones detectables por el hombre, como resultado del binomio velocidades de vibracin y sus respectivas frecuencias por ejemplo, Goldman (1948) considera la incomodidad causada por la velocidad de vibracin, decreciente con la frecuencia, como se observa en la figura siguiente:Intolerable V (mm.s )-1

Los

Estandarizacin estructural (valores mximos de la USBM)

Incmodo Perceptible

f (Hz)

Figura 1. Comparacin de la respuesta humana a la vibracin mecnica (segn Goldman, 1948) con la normalizacin estructural (USBM - RI 8507, 1981) Segn este ltimo criterio, los niveles de vibracin detectables por el hombre, considerando la velocidad de vibracin y sus respectivas frecuencias, pueden clasificarse en tres niveles: perceptibles, objetables (incmodos) y peligrosos (intolerables). stas ltimas son capaces de provocar daos en estructuras y constituyen una gama de valores para los cuales fueron pensados la mayora de los estndares vigentes en diversos pases. Para la evaluacin del dao estructural generalmente son utilizados valores conservadores, y as mismo, pueden superar los lmites para el confort ambiental (Figura 1).

2. EFECTOS DE VOLADURAS Y GESTIN AMBIENTAL Los cinco impactos tpicos de las voladuras (antes referidos) pueden ser asociados al concepto de grado de riesgo, que se puede cuantificar a travs del

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producto entre la probabilidad de la ocurrencia de aqul impacto y su gravedad, en trminos del efecto sobre los descriptores ambientales (Clayton, 2001). No deben ser confundidos los conceptos de Riesgo y Peligro, pues (segn, Guerreiro, 2003): - probabilidad del potencial agente expuesto a ser afectado en las condiciones de uso y/o exposicin, interesando la amplitud del dao; Peligro - propiedad o capacidad intrnseca de algo (por ejemplo: materiales, equipos, mtodos y prcticas de trabajo) que tiene una potencialidad para causar daos. Considerando estos dos factores, las vibraciones se destacan por el riesgo asociado, a la energa transmitida al macizo, a la perturbacin de estructuras y personas, si stos estn en las proximidades de los trabajos de voladuras. Otros impactos son de menor grado de riesgo, por que ocasionan daos menores o por que tienen menor probabilidad de ocurrencia. Por ejemplo, estudios estadsticos (Lundborg, 1981 referidos en Dowding, 1992) muestran que, en circunstancias normales, la probabilidad de la ocurrencia de proyecciones de fragmento a 600 m es de 1 para 10000000. Adems, este tipo de impactos, pueden ser controlados fcilmente mediante la aplicacin de capas sobre la zona de voladura (blasting barricades). Los efectos de las voladuras en terrenos y estructuras circundantes pueden ser expresados en trminos de desplazamientos permanentes y transientes de las partculas constituyentes. Los efectos permanentes son constituidos esencialmente por degradaciones de la integridad y desplazamientos efectivos, con deformacin no recuperable, de partes del macizo o estructura. La degradacin es normalmente definida como la intensidad de fisuracin resultante y est ntimamente ligada al dimetro del taladro (directamente proporcional). Los desplazamientos son causados por la expansin de los gases o por efecto de la vibracin y estn en funcin de la red de fracturacin pre-existente. Los efectos transientes son los que resultan directamente de la naturaleza de la vibracin, expresados en forma de vibraciones en los terrenos y en forma de onda area. En el caso de que no ocurran los efectos permanentes, los transientes son temporarios, significando esto que las partculas (del terreno o de la estructura) retornan a sus posiciones originales despus del paso de la onda que transporta la tensin dinmica. Con relacin a los macizos rocosos o estructuras afectadas, estos efectos transitorios pueden ser divididos (por orden creciente de distancia a la voladura) en: distorsiones estructurales, aumento o propagacin de fisuras prexistentes, cada de objetos, daos cosmticos, afeccin de instrumentos sensibles, percepcin humana y el ruido. Las cuatro primeras consecuencias sealadas (que son relacionadas con la respuesta de la estructura), no llegan a Riesgo

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ocurrir cuando los lmites mximos admisibles son considerados para prevenir los daos cosmticos. Los efectos ambientales referidos requieren ser abordados no solo mediante procedimientos tcnico-cientficos apropiados, sino que tambin mediante una gestin ambiental que permita mitigar o atenuar stos efectos a niveles permitidos por las normas o estndares existentes. En tal sentido, el modelo de gestin aplicable a este caso puede ser el desarrollado en el Centro de Geotecna del Instituto Superior Tcnico de Lisboa (Figura 2).Necesidad de aplicar voladura de rocas en zonas prximas a una poblacin NoProyecto nuevo?

.ANLISIS DE LA INFORMACIN EXISTENTE o Litologa y estructuras consideradas o Plano de perforacin y voladura usado o Posibles daos registrados en la voladuras o Leyes de propagacin obtenidas

Si

CARACTERIZACINo o mbito de accin y situacin voladura-estructuras Situacin de referencia y ley de propagacin

Base de datosNo

Identificacin del riesgo o impacto ambiental

v = a.Q b .D cMonitorizacin y control Riesgo o impacto negativo? Si

Aplicacin de medidas preventivas o correctivas

Reporte final y revisin por la autoridad competente

Si es aprobado

Bsqueda de medidas preventivas y correctivas

Figura 2. Modelo para la gestin ambiental de vibraciones para voladuras (Navarro Torres, V.F. et al., 2004)

3. PREVENCIN Y CONTROL AMBIENTAL DE VIBRACIONES EN VOLADURAS Segn Holmberg los fenmenos de rotura de roca por accin explosiva, son caracterizados por velocidades de vibracin en orden de 700 a 1000 mm.s-1 (Hustrulid, 1982), por lo que los impactos ambientales por las voladuras, son esencialmente debido a la vibracin. Pero; las vibraciones causadas por los equipos son menos importantes. Los problemas ambientales generados por las voladuras se tornan importantes cuando la explotacin de minas u obras de excavacin se realizan prximo a reas urbanas, por que las comunidades vecinas exigen, cada vez mas, la garanta de la integridad fsica de sus construcciones y el confort ambiental.

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Los factores que influencian la atenuacin de las vibraciones con la distancia son (Sarsby, 2000): la expansin geomtrica de las ondas, la progresiva separacin de las tres componentes (horizontal, transversal y vertical), la presencia de discontinuidades en los macizos (causando reflexiones, refracciones, difracciones y dispersiones) y la friccin interna dinmica de las rocas. Bajo ciertas condiciones las ondas no se atenan necesariamente con la distancia. Por ejemplo en medios estratificados y si su geometra favoreciera, las ondas pueden concentrarse o sobreponerse a otras reflejadas, siendo posible medir mayor amplitud de vibraciones en puntos mas distantes (Azevedo & Patrcio, 2001). Los efectos de las vibraciones sobre las estructuras, no dependen solo de la distancia y del tipo de estructura, sino tambin de la litologa local y de los materiales de fundacin.

3.1. Definicin de los parmetros fundamentales Segn Kramer (1996), las principales caractersticas de las vibraciones son: la amplitud (expresada por el desplazamiento, velocidad y aceleracn de las ondas), la frecuencia y la duracin. Investigaciones emprendidas en diversos pases son concordantes en admitir que los daos estructurales se correlacionan con la amplitud de las ondas ssmicas y que entre los parmetros fsicos mas representativos es la velocidad de vibracin de partculas (Dinis da Gama, 1998). Dowding (1992) considera que, por ocurrir los daos estructurales debido a las tensiones inducidas, la velocidad mxima puede ser usada como un indicador de las tensiones dinmicas (Ecuacin 1). d = .c.v (Ecuacin 1)

En que, d representa la tensin dinmica, .c representa la impedncia de la roca ( es masa especfica, c e la velocidad de propagacin de las ondas P) y v es la velocidad de vibracin de partculas en el macizo. Investigaciones realizadas demuestran que la afeccin transiente y permanente, son funcin inversa de la frecuencia. As, por ejemplo, una residencia es menos afectada por una vibracin de velocidad pico a una frecuencia de 80 Hz, a comparacin de una frecuencia de 10 Hz (Dowding, 1985) (Figura 1).

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3.2. Obtencin de los parmetros fundamentales La determinacin de las propiedades dinmicas de los macizos donde detonan explosivos, recorriendo a las mediciones de vibraciones y posterior tratamiento de los datos, posee una doble finalidad: la caracterizacin de los tipos de roca presentes y la utilizacin de estos datos en la previsin de los mecanismos de propagacin de las vibraciones en el macizo (Dinis da Gama, 1988). Es fundamental obtener, a partir de mediciones de vibraciones, los parmetros que permiten el anlisis de las vibraciones, la velocidad de vibracin de partculas y la frecuencia. La obtencin de esos datos experimentales (trabajos de campo) es hecha con sismgrafos de ingeniera dotados de gefonos mltiples, apropiadamente localizados en el terreno con relacin a la geometra de la voladura. Los gefonos transforman la energa mecnica de vibracin en energa elctrica con intensidad proporcional al movimiento de oscilacin del macizo. Despus de cada detonacin los gefonos reciben los impulsos ssmicos, en diferentes instantes, registrndolos. En ese registro, dependiendo de los lmites de deteccin del equipo y del trigger (valor mnimo de activacin, definido para dar inicio la medicin), queda sealado el instante de la detonacin, que constituye el inicio del conteo del tiempo, relacionado a ese evento de vibracin. Las ondas ssmicas inducidas por las voladuras al macizo tienen tres componentes: longitudinal (L) en direccin horizontal que pasa por los puntos de detonacin y de medicin), transversal (T) perpendicular al anterior y vertical en direccin vertical y ortogonal a las anteriores (V), pudiendo an ser medida la onda area.

A t BLeyenda: : trigger (t=0) A: pico de L B: pico de V C: pico de T tA tB tC

T(mm.s-1) V(mm.s-1) L(mm.s-1)

t

C

t

Figura 3. Ejemplo de un registro de vibraciones (registrado por BLASTWARE III)

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El valor mximo de la velocidad, registrado en el evento vibratorio, normalmente designado por PVS (peak velocity sum), es presentado en los sismogramas como el resultado del clculo de la resultante del vector (L,V,T), correspondiendo a las tres coordenadas al mismo instante de tiempo (t) (Ecuacin 2) y no el resultante del vector con las componentes mximas (puntos A,B,C de la Figura 3) en instantes de tiempo distintos (Ecuacin 3). Es usual que ocurra en el instante de tiempo correspondiente al mayor de las componentes registradas (A, B o C), siendo generalmente 5 a 10 % mayor que este pico (Dowding, 1992).v mx =2 2 2 v L (t ) + vV (t ) + vT (t )

(Ecuacin 2)

v mx

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