Plan de diseño de voladura de roca para excavación de galerías de mina subterránea
Introducción. El diseño de voladuras de roca para la excavación de galerías en minas subterráneas es fundamental en el proceso minero. La racionalidad del diseño afecta directamente la eficiencia, el costo y la seguridad de la excavación, así como el impacto en la roca circundante. Un plan optimizado de voladuras de roca puede aumentar la velocidad de avance, controlar la vibración de la voladura, proteger la estabilidad de la roca circundante y crear condiciones favorables para la minería posterior. Este artículo, basado en múltiples referencias, describe los elementos clave y los métodos prácticos para el diseño de voladuras de roca para la excavación de galerías subterráneas.
Preparaciones preliminares para el diseño de voladuras. Análisis del estado geológico: Obtenga un conocimiento detallado de la geología de la mina, incluyendo los tipos de roca, su dureza y la distribución de diaclasas y fracturas. Por ejemplo, las diaclasas y fracturas pueden influir en la propagación de las ondas de tensión y la rotura de la roca. Se debe recopilar información geológica precisa mediante estudios de campo, datos de sondeos e investigación geofísica. Los diferentes tipos de roca y durezas requieren diferentes parámetros de voladura; la roca dura suele requerir cargas más altas y diseños de barrenos adecuados.
Definir los requisitos de ingeniería: Aclarar las dimensiones de las galerías, la forma de la sección transversal y la dirección de la excavación. Por ejemplo, las galerías circulares y rectangulares requieren diferentes diseños de voladura; las esquinas de las galerías rectangulares pueden requerir disposiciones especiales de los pozos para controlar el perfil. Considerar las velocidades de avance requeridas: una excavación más rápida puede requerir técnicas de voladura y combinaciones de parámetros más eficientes.
Diseño de disposición de pozos de explosión Diseño de pozos de ranura:
Elección del método de ranurado: Los métodos comunes de ranurado incluyen el ranurado en forma de cuña y el ranurado con orificios rectos. El ranurado en forma de cuña es adecuado para rocas semiblandas a blandas: los orificios de ranura en ángulo crean una cara libre en forma de cuña para la posterior voladura. El ranurado con orificios rectos se utiliza para roca dura, donde orificios vacíos paralelos crean una cara libre y espacio de compensación, mientras que los orificios cargados circundantes realizan la ruptura. Se han estudiado y aplicado técnicas innovadoras de ranurado, como el ranurado en cavidad y la voladura con ranurado por expulsión de fragmentos (CCFT); por ejemplo, un diseño de ranurado paralelo con orificios de doble tiro (P-DFH) refuerza las cargas de fondo y produce una detonación en dos etapas que forma una cavidad de ranura más completa, superando las limitaciones de la perforación densa tradicional.
Determinación de los parámetros de la ranura: Especifique la profundidad, el espaciamiento y el ángulo de la ranura. La profundidad de la ranura suele ser entre un 15 % y un 20 % mayor que la de otros barrenos de voladura para garantizar una ranuración eficaz. Para roca semidura, los ángulos de las ranuras en forma de cuña pueden ser de 60° a 75°, con un espaciamiento de 0,5 a 1,0 m, según las propiedades de la roca. Para la ranuración de barrenos rectos, el espaciamiento entre barrenos vacíos y barrenos cargados suele ser de 0,2 a 0,5 m.
Pozos auxiliares (de alivio): Se ubican entre los pozos de ranura y los pozos perimetrales para ampliar el volumen de la ranura y crear una mejor cara libre para las cargas perimetrales. La separación entre los pozos auxiliares suele ser algo mayor que la de los pozos perimetrales, y las cargas explosivas pueden ser relativamente mayores. Para roca semidura, la separación entre los pozos auxiliares puede ser de 0,6 a 0,8 m, ajustando la cantidad de carga a las características de la roca.
Pozos perimetrales (de contorno): Se utilizan para controlar el perfil de la galería y garantizar que la sección transversal cumpla con las dimensiones de diseño. El espaciamiento perimetral de los pocillos y la cantidad de carga son cruciales para el control del perfil. La simulación numérica y las pruebas de campo indican que, en ciertas condiciones (por ejemplo, en galerías profundas de la mina de fosfato de Kaiyang), un espaciamiento perimetral de los pocillos S = 0,70 m, una densidad de carga lineal β = 0,9 kg/m y un coeficiente de desacoplamiento ζ = 2,5 produjeron buenos resultados de voladura de contorno con mínima sobreexcavación/excavación insuficiente. El apisonamiento de arena en los pocillos perimetrales reduce el daño a la roca circundante y mejora el aprovechamiento de la energía explosiva.
Cálculo de la cantidad de carga de diseño para parámetros de voladura: La cantidad de carga es un factor clave que afecta el resultado de la voladura y suele estar determinada por las propiedades de la roca, el diámetro, la profundidad y la separación entre los barrenos. Las fórmulas empíricas comunes incluyen la fórmula de volumen y la fórmula de consumo por unidad. Por ejemplo, la fórmula de volumen Q = qV, donde Q es la carga, q es el consumo de explosivo por unidad de volumen de roca y V es el volumen de roca a volar. El consumo unitario q depende de la resistencia de la roca y generalmente se encuentra entre 0,3 y 1,5 kg/m³.
Secuencia de disparo y tiempos de retardo: Una secuencia de disparo racional y tiempos de retardo permiten controlar la vibración de la voladura y mejorar la fragmentación. Normalmente, primero se disparan los barrenos de ranura, luego los auxiliares y, por último, los perimetrales. Los tiempos de retardo deben considerar la rotura de la roca y los tiempos de proyección, así como la reducción de la vibración. Por ejemplo, los retrasos entre los barrenos de ranura y los auxiliares pueden ser de 25 a 50 ms, y entre los auxiliares y los perimetrales, de 50 a 100 ms. Se pueden utilizar simulaciones numéricas y pruebas de campo para optimizar los tiempos de retardo y mejorar la fragmentación y reducir la vibración.
Selección de materiales y equipos de voladura. Selección de explosivos: Elija un tipo de explosivo adecuado para las condiciones de la mina. Para la excavación de galerías subterráneas, se suelen utilizar explosivos con buena seguridad y potencia moderada, como los explosivos de emulsión. Estos explosivos tienen buena resistencia al agua y un rendimiento estable, lo que los hace adecuados para la mayoría de las operaciones de voladura subterráneas. En minas de carbón con presencia de gas, solo se deben utilizar explosivos aprobados para su uso en la mina, de acuerdo con las normas de seguridad.
Selección de iniciación y detonador: Los dispositivos de iniciación comunes incluyen detonadores eléctricos y detonadores de tubo de choque (no eléctricos). Los detonadores eléctricos son sencillos y fiables de operar, pero pueden ser peligrosos en entornos con corrientes vagabundas. Los detonadores de tubo de choque son resistentes a la estática y a las corrientes vagabundas y se utilizan ampliamente en voladuras subterráneas. En entornos de voladura complejos, se pueden utilizar detonadores electrónicos, que permiten un control preciso de la sincronización, mejorando la eficacia y la seguridad de la voladura.
Predicción y evaluación del efecto de las voladuras. Predicción mediante simulación numérica: Utilice software de simulación numérica (p. ej., ANSYS/LS-DYNA) para construir un modelo numérico de voladuras de galería. Mediante la introducción de parámetros mecánicos de la roca, la disposición del pozo y los parámetros de voladura, simule la rotura, el desprendimiento y la vibración de la roca durante la voladura. Por ejemplo, las simulaciones permiten evaluar los efectos de diferentes métodos de ranurado y parámetros de voladura en los resultados de la excavación y proporcionar una base para optimizar el diseño.
Evaluación de pruebas de campo: Realice pruebas de campo a pequeña escala antes de la excavación a gran escala. Evalúe la efectividad de la voladura observando la fragmentación de la roca, la formación del perfil de la galería y midiendo la vibración de la voladura. Ajuste y optimice el diseño con base en los resultados de las pruebas para garantizar un rendimiento satisfactorio en la construcción a gran escala.
Medidas de seguridad. Determinación de las distancias de seguridad: Establecer distancias de seguridad para voladuras según la cantidad de explosivo y las propiedades de la roca. Marcar y asegurar zonas de exclusión dentro de la distancia de seguridad para evitar el acceso no autorizado. Para voladuras subterráneas en galerías, las distancias de seguridad suelen estar entre 100 y 300 m, con valores específicos calculados caso por caso.
Ventilación y control de polvo: La limpieza con chorro abrasivo genera gases y polvo que deben eliminarse de inmediato. Utilice ventiladores, conductos y otros equipos de ventilación localizados para garantizar que la calidad del aire cumpla con las normas de seguridad. Además, aplique agua pulverizada y nebulizadora para reducir la exposición de los trabajadores al polvo.
Control de vibraciones durante la voladura: Reduzca el impacto de las vibraciones en la roca y las estructuras circundantes optimizando los parámetros de voladura, controlando el tamaño de la carga y utilizando secuencias y retardos de disparo adecuados. En zonas sensibles a las vibraciones, la pre-división, la voladura suave y otras técnicas controladas pueden limitar aún más la vibración.
Conclusión: Diseñar un plan de voladura de roca para la excavación de galerías en minas subterráneas es una tarea compleja y sistemática que requiere considerar las condiciones geológicas, los requisitos de ingeniería, los materiales de voladura y las medidas de seguridad. Mediante un diseño racional de los pozos, un diseño preciso de los parámetros de voladura, la selección adecuada de explosivos y sistemas de iniciación, y rigurosos procedimientos de seguridad, se puede lograr una excavación de galerías eficiente, segura y económica. La simulación numérica y los ensayos de campo deben utilizarse para predecir y evaluar el rendimiento de la voladura y optimizar continuamente los diseños para satisfacer las condiciones específicas de las diferentes minas y mejorar la eficiencia y la rentabilidad de la minería.
