Avances tecnológicos en la perforación y voladura de rocas

El pasado 10 de octubre tuvo lugar en el Salón de Actos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid, una interesante jornada técnica sobre avances tecnológicos en la perforación y voladura de rocas, a la que asistieron más de 150 personas entre ingenieros, directivos de minas y alumnos de últimos años de la ETSIMM.

En esta jornada no sólo se llevo a cabo una exposición de dichos avances tecnológicos sino su aplicación a casos concretos en los sectores de la minería y obras civiles. La jornada estuvo patrocinada por 35 instituciones y empresas relacionadas con el sector de la perforación y voladura.

Como colofón, al final de la jornada tuvo lugar la presentación del Manual de Perforación, Explosivos y Voladuras en Minería y Obras Públicas. Se trata de actualización y puesta al día del conocido Manual de Perforación y Voladuras, que en esta ocasión, con sus más de 1250 páginas a todo color, dividido en 36 capítulos y anexos, representa el estado del arte más actual sobre perforación y voladura de rocas.

En las últimas décadas, aunque no se han producido descubrimientos espectaculares en el campo de los explosivos, no es menos cierto que se han mejorado todo un conjunto de operaciones conexas mediante diferentes innovaciones tecnológicas en el campo de la perforación y de las voladuras.

Dichas innovaciones han supuesto una mejora en los diseños de las voladuras, a través de técnicas de perforación más eficientes, del conocimiento de la disposición espacial de los barrenos y, consecuentemente de las cargas de explosivo, de una caracterización previa de los macizos rocosos, de una más amplia comprensión del comportamiento de los explosivos durante su detonación, del mayor control y precisión de la iniciación de las cargas, de un incremento sustancial de la cantidad de información durante los procesos de rotura de la roca y también de los resultados finales alcanzados.

Por otro lado, el enfoque sistémico del conjunto de operaciones que implica el arranque de rocas mediante las técnicas de perforación y voladura está permitiendo un uso más racional de la energía del explosivo, conduciendo a unos menores costes de arranque y un mayor control de las alteraciones ambientales.

En esta jornada no sólo se llevó a cabo una exposición de dichos avances tecnológicos sino su aplicación a casos concretos en los sectores de la minería y obras civiles.

El programa de la jornada se desarrolló en dos apartados, el primero dedicado a los avances en diseño y control en la perforación y voladura; y un segundo a aplicaciones de dichos avances en minas, canteras y obra civil. Las exposiciones fueron las siguientes:

Enrique Mota. ingeniero de Minas y director de grandes cuentas para Europa Sur de Sandvik, fue quien abrió la jornada exponiendo el nuevo software i-Sure desarrollado por Sandvik, especialmente diseñado para trabajar en automatización con los jumbos inteligentes de la gama ‘i’. Por el momento el contratista prefiere utilizar este software sólo para diseñar el plan de perforación que después se transfiere a los equipos mediante un USB. Para los equipos antiguos se traduce al antiguo formato TCAD, anterior paquete de software incorporado de Sandvik, que ofrece una emisión de informes más sofisticado tanto para la perforación como para los parámetros del equipo, incluyendo, datos de medición durante la perforación, forma del frente en 3D, consumo de varillaje, eficiencia y muchos otros.

Enrique Mota, ingeniero de Minas y director de grandes cuentas para Europa Sur de Sandvik, durante su exposición.

Los jumbos DTi emplean un programa informático avanzado de planificación de la perforación, Sandvik i-Sure (Sandvik Underground Rock Excavation), que representa una opción totalmente novedosa de trabajar con las distribuciones de las perforaciones y de las voladuras de forma simultánea. Lo mejor del nuevo programa es el empleo del nivel del final de perforación - donde el proceso es más complicado y donde se necesita más energía para romper y deshacer la roca - para calcular la distribución de perforaciones y la carga. El programa i-Sure asegura la ejecución de voladuras optimizadas, conformes al esquema empleado, rendimientos mejorados, menor necesidad para sanear la excavación, mayor capacidad de carga e inicio de perforación más fácil en el siguiente paso. Todo esto se traduce en una alta calidad de la excavación y ejecución de proyecto por delante de la programación. Los beneficios económicos pueden ascender a cifras impresionantes, gracias tanto al avance más rápido del túnel o galería, como a la reducción de la sobreexcavación y, por lo tanto, el correspondiente ahorro en revestimiento de hormigón.

El programa i-Sure produce también un resumen perfecto del proceso de perforación, con la posibilidad de editar informes según el paso de perforación, el usuario, el servicio, así como el rendimiento general. Los informes pueden contener tanto la versión numérica como gráfica de los resultados. El programa i-Sure genera también diagramas 3D de los parámetros esenciales de la perforación, siendo de esta manera una herramienta excelente en el desarrollo de los procesos de excavación y seguimiento de la roca.

José Mª Fuentes, ingeniero de Minas de Maxam, estructuró su conferencia en tres fases: primero, en cómo han ido evolucionando los explosivos y accesorios de voladura a lo largo de la Historia; la segunda en valorar datos estadísticos de fabricación y venta en España, Europa y resto del mundo; y una tercera, en una reflexión de cómo considera que va evolucionar el futuro de los explosivos.

En el primer punto, se habló de la evolución en tres aspectos: Mayor seguridad, mejor productividad y cuidado del entorno, en aras de una mayor sostenibilidad en el medio ambiente. Se abundó en lo que podemos llamar cuatro familias de explosivos: Dinamitas o gelatinosos, Tipo ANFO, Hidrogeles y Emulsiones, exponiendo sus propiedades y usos más adecuados.

En el caso de los detonadores habló de la gran irrupción en el mercado de los detonadores no eléctricos y electrónicos.

José Mª Fuentes, ingeniero de Minas de Maxam, habló sobre los explosivos y tendencias.

En el segundo punto se facilitaron datos de consumos, que se asemejan a los de fabricación, desde el año 1995, en lo que se refiere a España y Europa (estos facilitados por la FEEM, que es la Federación Europea de Fabricantes de Explosivos) y algunas otras zonas del mundo, de las que el conferenciante dispone de datos, como puede ser Canadá y EE UU, SAM, China, etc.

Aquí se observa una evolución a los explosivos tipo Emulsión, si bien se estabilizan los Gelatinosos y ANFO.

También se habló de un explosivo exclusivo, llamado Rioflex. En los detonadores se vislumbra una tendencia a los electrónicos. Finalmente, concluyó que la tendencia en el explosivo es usar explosivos tipo Emulsión a granel, en las explotaciones que lo permitan, especialmente en minería. Se prevé una estabilidad en el consumo de explosivos tradicionales.

En el caso de accesorios, detonadores, el trasvase hacia los detonadores no eléctricos y electrónicos es evidente.

Benjamín Cebrián, ingeniero de Minas, gerente de Blast Consult y especialista en el diseño y control de voladuras, explicó que las voladuras se están convirtiendo en un factor cada vez más importante en la rentabilidad de operaciones mineras en roca dura. En este sentido, los avances más importantes actualmente en el mundo de la minería metálica son:

• Fragmentación: Explosivos más densos y potentes para proyectos Mine-to-Mill con voladuras de Alta Energía y de Ultra Alta Energía.
• Gestión: Sistemas de cuantificación numérica de la calidad de la ejecución de la voladura, sobre todo: Precisión de emboquillado de barrenos / Precisión de longitudes de perforación / Control de la calidad de densidad de explosivos / Precisión de retacados
• Control de Daños a Taludes para lograr seguridad operacional y optimización de ángulos interrampa (55º es la tendencia actual)
• Innovaciones tecnológicas tanto en el software (simulación de voladuras) como en el hardware para el control de fragmentación y trazabilidad de mineral
• Técnicas de Control de Dilución por voladura (Pérdida de mineral y dilución con estéril)
• Desarrollo de voladuras interfase: evitar volcar material sobre bermas de fases activas inferiores

Félix Carnero, ingeniero de Minas y director técnico de explotación en Mina Sotiel, inició su conferencia exponiendo que Minas de Aguas Teñidas (MATSA), es una empresa española participada por Mubadala Investment Company, y por Trafigura Group Pte Ltd. Actualmente explota tres minas de sulfuros metálicos en Huelva, enclavadas dentro de la Faja Pirítica: Aguas Teñidas desde 2009, Sotiel desde 2015 y Magdalena desde 2016, cuyos minerales se tratan en la planta de flotación con capacidad para procesar entre 4,3 y 4,6 Mt, situada en las instalaciones de Aguas Teñidas, en el término municipal de Almonaster.

Las técnicas de perforación y voladuras han experimentado un gran adelanto en 20 años, desde que a finales de los 90 cerraran las minas de Sotiel y Aguas Teñidas explotadas por Almagrera-Navan.

En el avance de galerías se está a punto de dar un gran salto cualitativo al sustituir el ANFO por emulsión bombeada. También se está empezando a sacar provecho a la automatización de los jumbos.

En la ejecución de chimeneas, se han sustituido las voladuras tipo VCR por voladuras de cargas cilíndricas contra barrenos huecos de gran diámetro, empleando detonadores electrónicos que permiten una mayor fiabilidad y rapidez en las aperturas de las cámaras y en los pozos piquera de mineral o ventilación.

Respecto a las voladuras de producción en las cámaras, los cambios más importantes han sido la perforación en abanico desde una galería, más segura y productiva que la perforación paralela desde grandes aperturas de cabeza, y el empleo de explosivo tipo emulsión bombeada y detonadores electrónicos. Muy destacable son los avances implantados en la nueva mina Magdalena, en donde se está perforando en automático desde superficie, de forma similar a como se está haciendo en otras minas internacionales de primer nivel, a 360º, disminuyendo el número de subniveles. Una extraordinaria mejora en el relleno, necesaria en las minas, ha sido el empleo de pasta que permite la máxima recuperación del yacimiento y flexibilidad en la explotación. Así por ejemplo, en Aguas Teñidas ya se ha explotado debajo de las cámaras rellenas de pasta. En Sotiel, en donde se sigue empleando el relleno de roca no cementado, se están explotando los antiguos pilares barrera de 36 m, dejando pilares de 8 m a cada lado.

Concluyó que los métodos de perforación y voladura de MATSA se encuentran en constante evolución y mejora. Entre los próximos retos destacan el disparo remoto desde superficie en 2018 y el empleo de las emulsiones sensibilizadas in situ en 2019.

Iván Carrasco, ingeniero de Minas y jefe de Planificación y Control de Minería (Proyecto PMR) en Cobre Las Cruces, expuso en su introducción que las actividades de arranque constituyen el primer eslabón de la cadena del valor de todo proyecto minero. La calidad de las voladuras influye directamente en las etapas del proceso situadas aguas abajo. Para el caso de Las Cruces, este impacto llega incluso a algunas a priori tan distantes como la lixiviación del cobre contenido en el mineral.

La voladura perfecta no existe, pero sí la más adecuada a los fines buscados. No basta con preguntarse qué roca se va a volar, sino para qué lo hacemos. Cuál es el objetivo de la voladura y qué resultados esperamos. Dos aspectos clave de las operaciones mineras de Las Cruces son el control de dilución y el acabado de los taludes finales de la corta.

Dilución es la mezcla indeseada de estéril y mineral. Procesar estéril en la planta supone un impacto negativo en la cuenta de resultados. Es inviable eliminar la dilución a un coste razonable, pero se deben implementar métodos para medirla y controlarla. Existen distintas fuentes de dilución de origen natural, como la externa o de contacto y la interna o estructural. Pero también hay otras provocadas por el método minero y su aplicación. El desplazamiento de la pila de voladura es una de las principales. Medirlo y situar correctamente la posición de los contactos mineral / estéril post-voladura, es crítico para realizar un control efectivo de la dilución. La voladura selectiva, la modelización predictiva de desplazamientos o las voladuras de segregación entre otras técnicas, han sido aplicadas en Las Cruces con éxito.

El acabado de los taludes finales de la corta y el daño inducido al macizo rocoso remanente, también tienen impacto directo sobre los resultados. Además de los aspectos relativos a la seguridad de los trabajadores y equipos, un daño excesivo a los taludes potencialmente dará lugar a fallos que provocarán desde retrasos en la extracción de mineral hasta pérdidas parciales de las reservas. Las buenas prácticas de voladura de talud final contribuyen a minimizar los riesgos y también a reducir el ratio de desmonte, alcanzando mayores ángulos de talud sin bajar por ello el factor de seguridad global. El proceso de selección y aplicación de las técnicas apropiadas de voladura de contorno se fundamenta en una buena caracterización y sectorización de la corta en ‘dominios geotécnicos’. En Las Cruces se han definido hasta cuatro dominios con sus esquemas de voladura de contorno específicos.

Finalmente, comentó que cualquier mejora propuesta en las actividades de perforación y voladura requiere la implicación de todos los actores involucrados. De nada sirve desarrollar esquemas de voladura específicos para controlar la dilución o el acabado de los taludes si no se realiza un seguimiento de los mismos. Definir KPI’s (indicadores clave) medibles y cuantificables, que permitan analizar la implementación de los diseños en el terreno, controlar las desviaciones y analizar los resultados obtenidos (su impacto en los costes), es crítico para la mejora de estos procesos. Los resultados que se obtienen justifican la dedicación exclusiva de un equipo técnico a estas tareas.

Enrique Fernández, ingeniero de Minas y director técnico de Túneles en ACS-Dragados, comentó en su ponencia que la construcción de centrales hidroeléctricas subterráneas presentan un amplio abanico de estructuras en forma de túneles de toma y desagüe, túneles de acceso temporales y permanentes, galerías de investigación y drenaje, pozos verticales para chimeneas de equilibrio y compuertas, planos inclinados para forzadas y cables, cavernas para la ubicación de las turbinas de la central, etc. El complejo subterráneo requiere para su construcción una ubicación geotécnica adecuada dadas las dimensiones de algunas de dichas estructuras. Así, la caverna de central alcanza dimensiones de 25 m de ancho por 50 m de profundidad y 150 m de longitud e incluso superiores. Por ello requiere que su orientación en el macizo rocoso sea el más idóneo para facilitar su excavación minimizando los sostenimientos a colocar. A partir de dicha orientación se desarrolla el resto del esquema del complejo subterráneo.

Para su construcción se suele recurrir a la técnica de perforación y voladura al estar localizados dichos proyectos habitualmente en geologías favorables. Se suelen asignar equipos específicos para cada una de las actividades del ciclo de trabajo, perforación, carga de explosivo y detonación, desescombro y sostenimiento, que trabajan simultáneamente en varios túneles de las dimensiones adecuadas a los equipos seleccionados para, de este modo, incrementar los rendimientos globales en detrimento de los rendimientos individuales de cada túnel o galería.

Como recursos habituales se emplean las técnicas de cargas colgadas, VCR o Raise boring para la ejecución del pozo piloto y posterior destroza o franqueo con carro convencional desescombrando a través de dicho piloto.

En los planos inclinados, normalmente a 45º ó 48º, se recurre a equipos de excavación a sección completa fabricados específicamente para el proyecto en cuestión. Para la excavación de la caverna de central se recurre a la excavación por bancos, realizando la extracción de escombros por rampa o pozos temporales y auxiliándose de los diferentes accesos de que dispone dicha caverna. Hay que tener en cuenta que en estos trabajos, habitualmente es necesaria la coordinación con otros contratistas, principalmente de suministro de equipos.

Cabe reseñar que, a diferencia de los trabajos de minería, los proyectos hidroeléctricos requieren un sostenimiento acorde con la vida útil del complejo y que suele alcanzar fácilmente los 150 años. Muy por encima de las infraestructuras mineras, a pesar de ser de dimensiones similares.

Por último, incidió en que la construcción de un proyecto hidroeléctrico es una auténtica escuela de obras subterráneas donde se pueden aplicar una gran parte de las técnicas de excavación conocidas y que nos permite innovar a fin de realizar la construcción de la misma de la forma más efectiva, rápida y segura. Y siempre sin olvidar el requisito de la correcta planificación y coordinación con el resto de actores que intervienen en este tipo de proyectos.

Iván del Castillo, ingeniero Técnico de Minas y director de Vibraquipo, definió a Vibraquipo como una empresa especializada en instrumentación para el control en la ejecución de voladuras tanto para el control de las vibraciones como para la medición de onda aérea. También se dedica a prestar servicios para la calibración de estos instrumentos, así como ingeniería de aplicación de voladuras.

Dentro de los medidores de vibraciones y sismógrafos para voladura, están los equipos Vibracord, diseñados para la medida de la velocidad de vibración transmitida por el terreno.

Entre los equipos para voladuras explicó los explosores de condensador, compuestos por varios modelos diferentes en función del número de detonadores aplicados en la voladura. Asimismo suministran óhmetros digitales para medida de resistencia eléctrica del circuito de voladura o línea de tiro; o inclinómetros digitales para perforadoras, para el control de las inclinaciones de los barrenos de forma segura.

Víctor Campa, ingeniero de Minas y director de Aplicaciones Técnicas del Explosivo, fue el último ponente de la jornada Pervol'17, y en su ponencia comentó que en el entorno urbano las demoliciones con explosivos suelen ser poco numerosas, de 3 a 7 al año, debido en parte a la utilización en mayor medida de equipos mecánicos con plumas de gran altura, mayores potencias en los equipos, y utilización de martillos y cizallas hidráulicos cada vez más grandes y sofisticados. También la problemática legal y municipal es más complicada en cuanto a permisos, dada la contestación social a este tipo de demoliciones con explosivos.

Donde si parece que hay actualmente más campo es en las demoliciones industriales, sobre todo en estructuras de hormigón de gran espesor con explosivos, donde los equipos mecánicos tienen menos capacidad de actuación (ejemplo: silos y estructuras de antiguas fábricas de cemento, con alturas elevadas y espesores de más de 60 cm y estructuras metálicas de difícil corte).

Por tanto, finalizó haciendo hincapié en aquellos campos en los que las demoliciones con explosivos son más apropiadas de utilizar: trabajos singulares de demoliciones, microvoladuras en excavaciones, demoliciones para ampliaciones de infraestructuras en presas y centrales hidráulicas; demoliciones en estructuras de antiguos y grandes equipos mineros (apiladoras y excavadoras de rodete, etc.).

El encargado de cerrar la jornada fue Carlos López Jimeno, Dr. Ing. de Minas, catedrático de Proyectos y coautor del Manual, quien presentó la publicación, indicando en su introducción que las primeras reseñas históricas sobre el uso de los explosivos se encuentran en China, durante el siglo cuarto después de Cristo, cuando la pólvora era usada en los fuegos artificiales y en artefactos incendiarios. La pólvora se fabricaba a base de salitre mezclado en polvo con un combustible como el carbón y el azufre.

En Europa, fue a principios del siglo XVII cuando se empezó a utilizar la pólvora en minería, concretamente en una mina en Bohemia, convirtiéndose desde entonces en uno de los métodos de excavación de rocas más populares.

Algo más tarde, se produjeron avances que marcaron hitos históricos, como el invento de la dinamita por Alfred Nobel en 1867, que obtuvo al mezclar la nitroglicerina con una sustancia inerte absorbente como el kieselguhr (tierras diatomeas) y, posteriormente, en 1876 con la adición de nitrocelulosa a la nitroglicerina para obtener la gelatina explosiva, que eran productos más fáciles de manipular y más seguros.

Entre 1865 y 1910 se desarrollaron muchos otros productos para usos civiles, los explosivos nitrados, las mezclas in situ de un oxidante y un combustible, los explosivos de seguridad en ambientes grisuosos, los explosivos clorados y los explosivos de oxígeno líquido.

A partir de 1955, se generalizó el uso del ANFO (nitrato amónico y gasoil) y se desarrollaron paulatinamente otros explosivos industriales, como los hidrogeles en la década de los años 70 y las emulsiones durante los años 80, siendo algunos de estos productos mejorados mediante microesferas de vidrio, microporos y/o con la gasificación química.

En lo referente a los sistemas de iniciación, comentó que se ha experimentado una evolución tecnológica importante. De los detonadores ordinarios de mecha, se pasó en las décadas de los años 20 y 30 del siglo pasado a los detonadores eléctricos, y posteriormente, en los años 70, aparecieron en el mercado los detonadores no eléctricos o de tubo de onda de choque, llegando en los años 90 los detonadores electrónicos y, más recientemente, los detonadores no eléctricos de tubo con elemento de retardo electrónico.

Paralelamente, la perforación de barrenos progresó con acontecimientos decisivos, como fueron en 1861 la aplicación del aire comprimido como fuente de energía en los equipos rotopercutivos, la utilización de las grandes perforadoras rotativas y de los martillos en fondo desde la década de los 50 y el desarrollo de los martillos hidráulicos a finales de los años 70, del siglo pasado.

Ya dentro de este siglo, los equipos de perforación han incorporado tecnologías procedentes de los sectores de la robótica, de la automática, de la geomática y de las comunicaciones. Esto ha permitido registrar y optimizar los parámetros de perforación, obteniéndose mayores velocidades de penetración, la robotización de distintas operaciones básicas, el posicionamiento automático y la transmisión de datos para su posterior gestión y explotación.

A pesar de todos esos avances, las voladuras de rocas se han considerado hasta épocas recientes como un ‘arte’ nacido de la pericia y experiencia de los artilleros, como si de unos resultados se obtuvieran al introducir en una caja negra todo un conjunto de variables. Pero, en la actualidad este procedimiento de arranque se ha transformado en una técnica basada en principios científicos surgidos del conocimiento de las acciones ejercidas por los explosivos, los mecanismos de rotura de las rocas y propiedades geomecánicas de los macizos rocosos, los modelos de predicción de la fragmentación y las técnicas de evaluación de ésta, los levantamientos topográficos de los frentes de voladura y de la trayectoria de los barrenos, el ensayo de los diferentes tipos de explosivos, el empleo de drones para el análisis de diferentes fenómenos, el control de la alteraciones ambientales, tanto en trabajos cómo subterráneos como a cielo abierto, etc.

En el momento actual y teniendo en cuenta la posible evolución de la población a nivel mundial, las necesidades de infraestructuras de ámbito civil y sobre todo el abastecimiento de materias primas minerales, se prevé una demanda de explosivos de uso civil en el año 2020 del orden de unos 22 millones de toneladas. Extrapolando los ratios actuales de cantidad de explosivo por detonador, ese consumo exigirá la fabricación de más de 2.000 millones de detonadores.

En ese contexto de innovación, también se ha cambiado el enfoque de muchos planteamientos que se habían mantenido inamovibles durante mucho tiempo. Así ocurre con lo que se ha pasado a denominar la carga de explosivos con energía diferencial, que no es otra cosa más que adecuar las características de esos productos a las de las rocas que se encuentran a cada nivel; las voladura de ultra intensidad y las voladuras ecoeficientes, que persiguen una mayor eficiencia económica y energética del conjunto de operaciones, etc.

Finalizó indicando que el propósito de este Manual es proporcionar el conocimiento básico sobre los sistemas y equipos de perforación, los tipos de explosivos y accesorios de iniciación, los sistemas mecanizados de carga, las variables de diseño de las voladuras, la configuración y dimensionamiento de éstas a cielo abierto y en subterráneo, la predicción de los resultados, el control de las alteraciones ambientales, etc. Todo ello, descrito de manera sencilla y pedagógica en 36 capítulos y en 1.250 páginas ilustradas con figuras y fotografías en color.

El Manual está dirigido, en primera instancia, a los estudiantes de Ingeniería, para los cuales puede constituir un libro de texto, y a también a todos aquellos profesionales relacionados con el uso de explosivos en proyectos de obra pública y en explotaciones mineras.