Utilización de la medida de vibraciones en voladuras para el conocimiento de los daños al macizo de roca ornamental

Abstract

[SPA] Las capas de roca ornamental tienen como característica fundamental su elevada compacidad, existiendo pocas fracturas en comparación con otras capas de rocas duras, puesto que de no ser así no serían comercializables. Los efectos de los explosivos en la roca ornamental no han sido tratados de forma específica en las revistas especializadas, a pesar del interés que en la actualidad existe por utilizar este método de arranque en los casos en los que hay recubrimientos, zonas de baja calidad o escaso aprovechamiento que interesa eliminar con rapidez. Las vibraciones provocadas por las voladuras en excavaciones mineras o civiles se estudian fundamentalmente para conocer la posibilidad de que las estructuras cercanas a los frentes se vean dañadas por las ondas que provocan su movimiento, con el objetivo de encontrar las máximas cargas que pueden ser utilizadas sin riesgo. Esta tesis avanza en el conocimiento sobre el efecto de las explosiones en la roca ornamental y, más concretamente, en la extensión del daño del explosivo utilizado en las voladuras que se utilizan para eliminar recubrimientos o zonas no aprovechables. La principal diferencia en relación con las estructuras radica en que los daños, en este caso, se producen en las proximidades de la fuente, en las primeras decenas de metros. El objetivo fundamental es intentar conocer para cada capa la distancia máxima que podemos avanzar con voladuras y sin necesidad de preparar planos de corte para preservar la roca, lo que retrasa el resto de las operaciones. Para el desarrollo de este documento, que sintetiza los trabajos realizados y sus resultados, se incluye un capítulo de introducción en el que se justifica el interés de mejorar todos los aspectos del proceso de explotación y comercialización del Sector de la Piedra, y por supuesto, dentro de estos, las labores de extracción entre las que se encuentran la de arranque mediante voladuras. Seguidamente se desarrolla el capítulo de estado actual de la cuestión, las teorías básicas de propagación de ondas y transmisión de vibraciones, los factores que pueden afectar la mayor o menor energía de transmisión. Se repasan los modelos de predicción de las vibraciones y su medida, así como las normas de prevención de daños en estructuras, para terminar, estableciendo las tensiones que los frentes de presión ocasionan en la roca y revisando los casos de estudio de las sobre excavaciones, como antecedente de gran interés. La secuencia metodológica utilizada se explica paso a paso, mostrando la necesidad de realizar los registros de campo, ensayos mecánicos de laboratorio y prospección de las ondas sísmicas y, sobre todo explicando la integración de los datos y variables para conseguir los resultados de observación intermedios y de cálculo finales. Se ha cubierto una intensa labor de revisión de los métodos de ajuste, incorporando nuevos procedimientos poco utilizados, como la estimación lineal múltiple o la estimación parcial de coeficientes de las leyes de amortiguación. El siguiente paso ha consistido en aplicar la metodología sobre cada uno de los 4 casos que se exponen, correspondientes a calizas marmóreas o areniscas, siendo el de la cantera Alpi, en el Monte Coto de Pinoso, el que constituye el eje central del trabajo y sus conclusiones, estableciendo con éste la base de los resultados y contrastando la metodología con el resto que casos. Un análisis más profundo se desarrolla a lo largo del capítulo 6, depurando los datos de los registros de vibraciones, y probando otras leyes de transmisión basadas en las características geomecánicas o en datos teóricos de vibraciones obtenidos en la zona de plastificación. Se puede comprobar finalmente, no solo por los cálculos sino también por los resultados en cantera, que las distancias de daño que se pronosticaron en el primer estudio del año 2016 pueden reducirse ahora, pudiendo afirmar que la ley de trasmisión más extendida, la de la USBM, es bastante conservadora. Las principales conclusiones con respecto a la metodología y resultados en relación con el daño a las rocas ornamentales provocados por las voladuras, así como las líneas de investigación en las que seguir avanzando se incluyen en el capítulo 7. Parte de los contenidos de esta Tesis han sido ya publicados en una revista situada en Q1 de minería (Trigueros et al., 2017) con una cita externa y en un congreso de minería en Chile (Cánovas et al., 2017).

[ENG] Ornamental rock layers have an essential characteristic that is their high compactness, these are few fractured compared to other hard rock beds, since otherwise they could not be commercialized. Effects of explosives on ornamental rock have not been a usual topic in specialized journals, although using this digging method is of current interest in those situations where are thick overburdens, low quality or little profit areas. This method is adequate to eliminate this material quickly. Vibrations caused by blasting in mining or civil excavations are mainly studied to know the possibility that structures surrounding the fronts are damaged by the waves that cause their movement, and these studies are makes to find the maximum loads that can be used without risk. This thesis goes ahead in the knowledge about the effect of the explosions in the ornamental rock mass, more specifically, in the length of damage of the explosive in the blasting when is used to eliminate overburden or profitless zones. The main difference in relation to the structures case is that in our subject the damage occurs near the source, normally in the first tens of meters. The principal goal for each rock layer is to try knowing the distance that we can advance with blasting without the need to prepare cutting plans to preserve the rock what would delay the rest of the operations. In this document, which summarizes the work carried out and its results, an introductory chapter is included in which the interest to improve all aspects of the exploitation and commercialization process of the Stone Sector is incorporated. In these aspects that improve the extraction work is where we find the blasting operations. Next, we present the chapter on the current state of the matter, including the basic theories of wave propagation and the transmission of vibrations and the factors that can affect the best or worst transmission of energy. The models of prediction of vibrations and their measurement, as well as the norms of prevention of damages in structures, are reviewed to finish establishing the tensions caused by pressure fronts in the rock and to review the cases of study of the over excavations, as a background of great interest. The methodological sequence used is explained step by step, showing the need to perform the field records, mechanical laboratory tests and seismic wave survey and explaining the integration of the data and variables to achieve the intermediate observation values and final assessments results. We have made an intensive task of reviewing the adjustment methods, adopting new procedures that are not widely used, such as multiple linear estimation or partial estimation of the coefficients of transmission laws. Next step was applying the methodology to each of the 4 cases that are analyzed, corresponding to marble limestones or sandstones, being the Alpi quarry, in Monte Coto de Pinoso, which constitutes the central axis of the work and its conclusions, establishing these outcomes as basis of the results and contrasting the methodology with the rest of cases. A deeper analysis is developed throughout chapter 6, debugging the data from the vibration records and testing other transmission laws based on the geomechanical characteristics or theoretical data of vibrations obtained in the plasticization zone. Finally, it can be verified, not only by the calculations but also by the results in quarry, that the distances of damage that were predicted in the first study of the year 2016 can be reduced now, being able to affirm that the law of transmission widespread used, the USBM one, is quite conservative. The main conclusions regarding methodology and results in relation to damage to ornamental rocks caused by blasting and the researching focus to keep advancing are included in chapter 7. Part of the contents of this thesis have already been published in a journal that is in the first quarter of mining publications (Trigueros et al., 2017) and have already been cited externally and in a mining congress in Chile (Cánovas et al., 2017).