Research on Optimization of Radial Uncoupled Charge Parameters Based on the Mechanical Characteristics of Step-Type Partitioning

Resumen Técnico: Optimización de los Parámetros de Carga Radial Desacoplada Basada en las Características Mecánicas de la Partición de Tipo Escalonado

Planteamiento del Problema
En la minería de granito a cielo abierto, las estructuras de carga totalmente acopladas tradicionales suelen resultar en una concentración excesiva de energía en la pared del taladro. Esto crea una "zona de trituración" que consume una energía significativa, lo que conduce a una eficiencia de fragmentación deficiente, altas tasas de partículas finas (finos) y una distribución desigual del tamaño de los bloques. Si bien se sabe que la carga desacoplada (insertar un medio entre el explosivo y la pared del taladro) atenúa las ondas de choque y reduce los finos, los métodos tradicionales que utilizan escombros de roca o espacios de aire suelen sufrir de una distribución de energía imprecisa, problemas de mezcla y una falta de adaptabilidad a las diversas restricciones de esfuerzo encontradas en diferentes secciones de un banco de voladura (alta restricción en la base frente a baja restricción en la parte superior). El desafío específico abordado es cómo optimizar los parámetros de la carga radial desacoplada utilizando explosivos de emulsión mixta para controlar la tasa de generación de finos, asegurando al mismo tiempo una fragmentación uniforme a través de las variaciones en las condiciones de meteorización de la roca.

Metodología
El estudio empleó un enfoque de tres vertientes que combina el análisis teórico, la simulación física y ensayos industriales de campo en una mina de granito:

1. Análisis Teórico y Comparativo: Los autores analizaron los mecanismos de transferencia de energía de las cargas acopladas frente a las radialmente desacopladas, centráéndose en la atenuación del estrés de detonación pico y el papel del espacio anular en la liberación de energía.
2. Simulaciones en Tubo Transparente: Se utilizó un tubo de policarbonato transparente de 4.0 metros (140 mm de diámetro) para simular taladros de voladura verticales. Se realizaron tres pruebas específicas para evaluar un espaciador radial de diámetro variable de desarrollo propio:
   • Embebido por caída libre: Evaluando la estabilidad del espaciador y la profundidad de inserción en el escombro de roca.
   • Mezcla de carga y relleno: Evaluando la segregación de explosivos y la mezcla con escombros de roca.
   • Comportamiento de hundimiento: Observando la estabilidad del espaciador durante la carga de explosivos primarios y secundarios.
3. Ensayos Industriales de Campo: Se realizaron pruebas de voladura comparativas en dos bancos de granito con diferentes grados de meteorización: débilmente meteorizado (+30 m) y moderadamente meteorizado (+45 m).
   • Grupo de Control: Utilizó el intervalo de carga de escombros de roca tradicional.
   • Grupos de Prueba: Utilizaron el nuevo espaciador de diámetro variable para crear estructuras radialmente desacopladas.
     • Esquema I: 125 mm de diámetro en la base (4 m) y 110 mm en la sección superior (9 m).
     • Esquema II: Una estructura de tres etapas con 125 mm (base, 4 m), 110 mm (medio, 4 m) y 90 mm (superior, 5 m).
   • Recolección de Datos: El análisis post-voladura incluyó análisis de imagen y pruebas de tamizado para determinar la distribución del tamaño de los fragmentos, la relación de finos (<5 mm), la relación de bloques grandes (>1000 mm) y la morfología del montículo de escombros (muckpile).

Contribuciones Clave

• Desarrollo de un Espaciador de Diámetro Variable: El estudio introdujo un espaciador mecánico de desarrollo propio capaz de crear una estructura de carga radialmente desacoplada y axialmente continua con diferentes diámetros a lo largo de la profundidad del taladro. Esto permite un control preciso del coeficiente de desacoplamiento en zonas específicas.
• Identificación de Límites de Adaptación Litológica: La investigación estableció que el coeficiente de desacoplamiento óptimo no es universal, sino que depende de la meteorización de la roca. Identificó que el granito débilmente meteorizado (duro, con pocas juntas) es altamente sensible a la energía de impacto inicial, mientras que el granito moderadamente meteorizado (con fracturas preexistentes) puede utilizar el "efecto de cuña de gas" para compensar la menor energía inicial.
• Distribución de Energía Gradiente Optimizada: El estudio demostró que ajustar la estructura de carga al gradiente de esfuerzo "base fuerte, tope débil" de un banco de voladura es crítico. Una estructura que proporciona un aumento moderado de energía en la base y un debilitamiento moderado en la parte superior ofrece resultados superiores en comparación con un desacoplamiento uniforme o excesivamente agresivo.

Resultados

• Hallazgos de la Simulación: Las pruebas en el tubo transparente confirmaron que el espaciador mecánico evita la mezcla de explosivos con los escombros de roca (un problema común con el espaciado de escombros de roca tradicional) y mantiene la estabilidad estructural durante la carga.
• Resultados de los Ensayos de Campo (Esquema I):
  • Consumo de Explosivos: Redujo el consumo de explosivo unitario en más de un 16% (16.3% para granito débilmente meteorizado, 16.2% para moderadamente meteorizado) en comparación con el grupo de control.
  • Fragmentación: Logró una distribución uniforme del tamaño de los bloques. En el granito débilmente meteorizado, la proporción de finos (<1 cm) cayó del 6.84% (control) al 3.41%. En el granito moderadamente meteorizado, los finos bajaron del 8.93% al 5.63%.
  • Calidad del Montículo: Produjo un montículo de escombros moderadamente suelto, favorable para la excavación y carga, sin acumulación significativa de bloques grandes o "roca de paraguas" (umbrella rock).
• Resultados de los Ensayos de Campo (Esquema II - Desacoplamiento Excesivo):
  • Aunque el Esquema II (coeficiente de desacoplamiento superior ~1.55) redujo aún más el consumo de explosivos (en un ~26%), resultó en una energía insuficiente para las secciones superiores del granito débilmente meteorizado. Esto provocó un aumento significativo de los bloques grandes (3.91%) y la formación de "roca de paraguas" a lo largo de la cresta.
  • El granito moderadamente meteorizado mostró una mejor tolerancia a este mayor coeficiente de desacoplamiento debido a sus fracturas preexistentes, aunque la tasa de bloques grandes también aumentó.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la estructura de carga radialmente desacoplada propuesta, específicamente la configuración con una carga de base de 125 mm y espaciadores de 110 mm en la sección media/superior, ofrece una solución técnicamente superior para la voladura de granito. Al controlar eficazmente el mecanismo de distribución de energía de "reducción de pico y extensión de gas", este método:

1. Reduce los Finos: Disminuye significativamente la tasa de pulverización, abordando el problema de la sobre-trituración común en las cargas acopladas tradicionales.
2. Mejora la Eficiencia: Reduce el consumo específico de explosivos en más de un 16% manteniendo o mejorando la calidad de la fragmentación.
3. Aumenta la Adaptabilidad: Proporciona una referencia técnica para optimizar los parámetros de voladura basados en los grados de meteorización de la roca, asegurando que el suministro de energía coincida con las restricciones mecánicas específicas de la masa rocosa.

Los autores concluyen que este enfoque equilibra eficazmente la compensación entre la generación de finos y la formación de bloques, ofreciendo una vía viable hacia operaciones de voladura eficientes y de bajo consumo.