INTRODUCCIÓN

En la provincia de El Oro, en el Distrito Minero de Zaruma – Portovelo, cerca y debajo de la ciudad de Zaruma se desarrolla actividad minera subterránea de extracción mineral, en la cual se utiliza maquinaria, equipos mineros mencionados por Vásconez Carrasco & Torres León (2018), explosivos y accesorios de voladura para arrancar la roca creando galerías de conexión, niveles y subniveles a fin de aprovechar los depósitos vetiformes que contienen minerales de interés económico como oro (Au), plata (Ag) y cobre (Cu), y demás minerales polimetálicos.

La extracción de material sigue la dirección de las vetas mineralizadas, creando cavidades o galerías subterráneas y pilares de sostenimiento de roca, actividad que debe cumplir con varios consideraciones técnicas de seguridad (Zúñiga Arrobo, 2022) parte de estos espacios o galerías quedan abandonados momentáneamente por la empresa minera hasta que se generen condiciones técnicas y económicas adecuadas para continuar extrayendo mineral (Zúñiga Arrobo & Rojas Villacís, 2020). Es aquí donde personas de forma clandestina ingresan a dichas labores y utilizando la fuerza manual (Rojas Villacís & Zúñiga Arrobo, 2022), equipos eléctricos y explosivos, comienzan a romper pilares de roca, carcomer paredes y techos siguiendo las huellas del mineral oro, dirigiéndose desde niveles inferiores hacia la parte superficial.

Es por ello que se han generado socavones que han afectado los cimientos de la infraestructura civil (casas, escuelas, negocios, calles, iglesias, hospitales, entre otras) de la ciudad de Zaruma. Es por ello que desde el año 2013 se declara el casco urbano de Zaruma como zona de exclusión minera, misma que se ha ido ampliando en el transcurso del tiempo, hasta el actual Acuerdo Ministerial Nro. MERNNR-MERNNR-2022-0001-AM publicado en el Registro Oficial el 31 de enero de 2022 (Ministerio de Energía y Recursos Naturales No Renovables, 2022).

En los últimos 10 años en el Distrito Minero de Zaruma - Portovelo se ha incrementado la extracción de material rocoso que contiene minerales de interés económico como el oro y la plata, extracción realizada tanto por empresas regularizadas; quienes deben respetar los límites planteados en la Zona de Exclusión (Ministerio de Energía y Recursos Naturales No Renovables, 2022), además existe personal que extrae material de forma clandestina, quienes van socavando la roca sin ningún método técnico que garantice la seguridad física del personal, tampoco cuidan los avances en roca que garanticen el sostenimiento de la misma, el problema grave es que los avances que realizan llegan muy cerca de los asentamientos de viviendas, vías e infraestructura de la ciudad de Zaruma, causado asentamientos, hundimientos, y caída de infraestructura de la ciudad. Como ejemplo de una de las afectaciones se muestra el caso analizado por Burbano Morillo et al. (2021).

Debido a estos y otros precedentes suscitados en la ciudad de Zaruma, se genera varios inconvenientes sobre el estado de ánimo y paz en la población, quienes perciben riesgos constantes de inseguridad, sienten y escuchan constantemente a diferentes horas del día vibraciones, ruido de maquinaria y detonaciones de explosivos de voladura utilizados para extraer material de roca. Sumado a estos factores el desconocimiento de la población sobre el desarrollo técnico que demanda la actividad minera les hace pensar que tanto las empresas legalmente constituidas como las personas que realizan actividades de forma clandestina conocimos como “ilegales” ambas son causantes de las afectaciones a la población y ciudad de Zaruma.

El estudio fue realizado en una labor minera legalmente constituida que se encuentra relativamente cerca de la ciudad de Zaruma; en la cual se analizara los radios de influencia de las explosiones producto de las voladuras, comparando y relacionando la velocidad de detonación de los explosivos (VOD), la vibración y ruido en 16 ensayos de perforación y voladura subterránea; considerando criterios técnicos como los descritos por Pinto Morales y Fuentes Fuentes (2021).

Las pruebas de voladura se realizaron en dos frentes diferentes de trabajo: el primer frente “Apófisis” corresponde a una galería de sección abovedada de dimensiones 1,8 m. x 2,2 m. (ancho por alto), ubicado aproximadamente a unos 800 metros de la Galería Principal desde la bocamina, el macizo rocoso es cohesionado, de resistencia media a alta de 70 – 100 MPa, fracturado (RQD estimado 60-70%), en roca fresca y seca. El segundo frente “Matamoros” corresponde a una galería de sección abovedada de dimensiones 1,8 m. x 2,2 m. (ancho por alto), ubicado a 45 metros bajo el nivel de la Galería Principal de acceso y a unos 400 metros del denominado “Pique #5”, la roca en este sector es cohesionada, de resistencia alta de 100 - 120 MPa, poco fracturado (RQD estimado >80%), en roca fresca y seca.

De los 16 ensayos de medición de VOD realizados en la empresa minera, 8 fueron realizados por el “método continuo”, y 8 fueron realizados con el “método punto a punto”. Los barrenos ensayados tienen diámetro de 38 mm (1 ½” pulgadas), y longitud de perforación de 1,10 m y 1,50 m, perforados de forma horizontal y tratando de conservar el paralelismo entre ellos; se presentaron barrenos con desviaciones medidas de 23 al 26 grado; sin embargo, para el análisis del presente estudio no presentan un factor considerable; Sargentón Romero (2008) analiza voladuras experimentales y establece consideraciones técnicas para el diseño y cálculo de la malla de perforación en barrenos.

Determinación de la resistencia de la roca

Para determinar la compresión uniaxial, se empleó el martillo de rebote Schmidt o esclerómetro (Ver tabla 1):

De acuerdo a la ficha técnica del martillo Schmidt (Proceq S.A., 2016) se debe contar con un mínimo de 10 impactos o lecturas en concordancia con el método ASTM D 5873, de los cuales se calcula una media. Acorde al método ISRM se requiere 20 lecturas sin eliminación de los valores anormales o 10 lecturas consecutivas cuando la medición diverge en ±2 (dos) unidades de dureza.

Con los datos del índice de rebote (R) obtenidos con el martillo Schmidt, el peso específico teórico de la roca tipo andesita presente en las labores mineras ensayadas ubicadas en Zaruma y utilizando las interpretaciones del ábaco de Miller; descrita por Ramírez Oyanguren y Alejano Monge (2004) que relaciona los valores del índice de rebote con respecto a la orientación del martillo sobre el plano de roca ensayada (Figura 1), da como resultado la resistencia a la compresión simple uniaxial (MPa).

FIGURA 1
Ábaco de Miller

Relación peso específico, dirección e índice de rebote del martillo Schmidt y compresión simple sobre la roca

Ramírez Oyanguren y Alejano Monge (2004)

Luego de este cálculo, aplicando la tabla 2 (Hoek & Brown, 1997) se determinó la estimación en terreno de la resistencia en compresión uniaxial (ver tabla 3).

Carga explosiva utilizada

METODOLOGÍA

Linares Carrasco (2013) describe tres métodos “punto a punto” con tres equipos de medición, e indica “métodos de medición continua” con cinco equipos de medición.

Para la medición de VOD se realizó: Medición Continua y Medición Punto a Punto.

Los equipos utilizados en este estudio para la medición de VOD fueron considerados los disponibles y calibrados.

Medición Continua

Medición continua a lo largo de una columna explosiva, permite evaluar las consideraciones técnicas tales como efecto del cebo, los efectos de los materiales contaminantes y la propagación de detonación. Considerar el equipo para esta medición (ver tabla 4).

Ratio de grabación de 1 MHz a 2 MHz, con un tiempo de registro de 2 a 4 segundos, es incapaz de grabar a intensidades menores a 50 mA.

El procedimiento de ensayo es:

• Tomar el cable de medición “Probecable” que tiene resistencia específica (10.2 ohm/metro), colocar en circuito y aislar en uno de sus extremos, en ese mismo lado se prepara un “Cebo falso” (solo cable) de aproximadamente 5 m. para asegurar que la medición no sobrepase el umbral de medición del equipo (50 mA). Este cable se introduce al fondo dentro del barreno a medir.

• Cargar el barreno de acuerdo al Patrón de carga: Cebo, Carga de Fondo y Carga de Columna establecido en el diseño o plan de voladura.

• Asegurar que la longitud del “Probecable” usado para la medición al menos un par de metros más larga que la longitud del barreno a medir.

• El extremo del “Probecable” que queda fuera es empatado con un cable coaxial que se extiende y se conecta hasta el equipo de medición, el cual se ubica a una distancia que se considera segura para realizar la medición.

• Encender el equipo de medición, se revisa niveles de batería, disponibilidad de memoria y se activa el equipo para medición.

• Una vez se produce la detonación, el equipo registra la variación de la resistividad del conjunto cable coaxial - “Probecable” en función del tiempo, obteniéndose un perfil de VOD a lo largo de la columna registrada.

Medición Punto a Punto

Medición discontinua basada en el empleo un material (fibra óptica, cable eléctrico u otro material conductor) que sirve como sensor y es colocado dentro del cartucho explosivo o columna explosiva, este método tiene capacidad de medir VOD con una exactitud mínima de 100 m/s. Considerar el equipo para esta medición (ver tabla 5).

Los cables de fibra óptica van dentro del cartucho explosivo en el cual se realizará la medida, colocados con una separación de 10 cm (100 mm) entre sí.

Se obtiene el tiempo de detonación y la longitud detonada (100 mm) que por relación o ecuación física se puede calcular la VOD.

El procedimiento de ensayo:

• Tomar los dos extremos del cable de fibra óptica y pelarlos hasta dejar descubierto su núcleo en una longitud aproximada de 1” (pulgada).

• En el cartucho objeto de medición se realiza dos incisiones con separación de 100 mm. y se introduce los extremos del cable de fibra óptica pelados.

• Colocar el cronógrafo a una distancia segura del sitio de detonación y se conectan los otros extremos de la fibra al Cronógrafo.

• Encender y programar el Cronógrafo introduciendo los datos del ensayo (fecha, distancia entre cable, número de fibras conectadas).

• Iniciar el cronógrafo hasta que quede listo para la medición.

• Alejarse del sitio de detonación, detonar el explosivo objeto de medición.

Medición de VOD

Independientemente del patrón de carga, la distribución de la carga en el barreno se detalla en la figura 2:

FIGURA 2
Distribución de la carga en el barreno

(superior) Esquema de ubicación de cargas para ensayo, método continuo

(inferior) Ensayo por el método punto a punto y carga de barreno

Metodología del monitoreo de vibración y ruido

Pérez Cosío (2019) describe la influencia de las vibraciones del explosivo considerando el tipo de explosivo y las características geológicas, propiedades, medición, predicción de vibraciones, daños a roca y a estructuras. La magnitud de vibración es definida en función de:

• Desplazamiento de partícula. Distancia a la que se mueve la partícula antes de retornar a su posición original, medida en milímetros (mm).

• Velocidad de partícula. Valoración a la cual cambia el desplazamiento de la partícula, medida en milímetros por segundo (mm/s)

• Aceleración de la partícula. Valoración de cambio de la velocidad de partícula, medido en milímetros por segundo al cuadrado (mm/s²) o en términos de la aceleración debida a la gravedad de la tierra (g).

• Frecuencia. Número de oscilaciones por segundo al cual una partícula está sometida, medido en Hertz (Hz).

Vibraciones

Movimiento percibido en superficie debido a las ondas elásticas emanadas por un evento (en este caso voladura), su unidad de medida es en pulgadas por segundo de la velocidad de la partícula. La velocidad de la partícula es la medida de la velocidad del movimiento de las partículas de la tierra mientras ésta se mueve por efecto de la energía de onda.

En todas las normas el parámetro preferido de medición es la velocidad de partícula pico (PPV). La medición de las consideraciones técnicas de partícula al paso de ondas normalmente se realiza en tres direcciones mutuamente perpendiculares, y las partículas oscilaran en estas tres dimensiones:

• Longitudinal. También llamada radial, las partículas se mueven hacia adelante y atrás en la misma dirección que viaja la onda vibratoria.

• Vertical. Movimiento hacia arriba y abajo perpendicular a la dirección en que la onda está viajando.

• Transversal. Movimiento de la partícula a la derecha e izquierda y perpendicular a la dirección en que la onda está viajando.

Bernaola Alonso, Castilla Gómez y Herrera Herbert (2013) y el Instituto Geológico y Minero de España (1987), (s.f.) mencionan algunas definiciones y consideraciones técnicas para la medición de vibraciones, equipos de medición e interpretación.

Comparación de vibración y ruido con normas técnicas

Los equipos utilizados se encuentran calibrados para el cumplimiento de las normas (ver tablas 6 y 7): a) EEUU – OSM 817.67 y b) EEUU - USBM RI8507, información utilizada y analizada por Benjumea Cadavid (2003); Ruiz Valencia, Otálora Sánchez y Rodríguez Ordóñez (2007), entre otros autores.

En la legislación Ecuatoriana el Ministerio del Ambiente Agua y Transición Ecológica (2017), Libro VI Anexo 5, presenta la tabla 8.

Instrumento para monitoreo de vibración y ruido

El equipo utilizado es el sismógrafo detallado en la tabla 9:

Medición vibración y ruido

Para realizar los monitoreos en cada frente se seleccionaron dos sitios específicos para la instalación del equipo de medición (uno por frente), que se detalla en ubicación a distancia estimada (ver tabla 10).

Sistema de Iniciación de Explosivos

Se utilizó el sistema de iniciación de explosivos descritos en el “Manual práctico de voladura - Edición especial” de EXSA S.A. Firma Peruana de Explosivos (2020); se aplicó el sistema Mecha y Fulminante: Fulminante simple y mecha lenta de pólvora (llamada mecha de seguridad) Cap and fuse:

• CONVENCIONAL: Con fulminante y mecha.

• ENSAMBLADO: Con mecha rápida de ignición (Igniter cord), más conectores, mecha lenta y fulminante.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados del VOD

En “monitoreo continuo”, los datos obtenidos por el equipo son cargados y graficados en el software Microtrap, el cual presenta una gráfica de longitud en función del tiempo, en donde la pendiente de la curva viene a ser la VOD (Velocidad de Detonación), tal como se muestra en la figura 3:

FIGURA 3
Representación de Desplazamiento = f (tiempo) registrada en un ensayo de VOD por el método continuo

En “monitoreo punto a punto” los datos obtenidos del Cronógrafo digital son procesados automáticamente por el equipo obteniéndose directamente el valor del VOD, en la memoria del equipo se presenta un archivo con indicaciones de la fecha, longitud ensayada, tiempo de detonación y finalmente la VOD, tal y como se muestra en la figura 4:

FIGURA 4
Archivo resultante donde se registra la VOD usando el equipo

Resultados de vibración y ruido

En “Apófisis” se realizaron 9 ensayos de perforación y voladura; los primeros 6 ensayos con el sistema de iniciación de explosivos del tipo mecha y fulminante convencional y la metodología de análisis del VOD por método continuo; los siguientes 3 ensayos con el sistema de iniciación de explosivos tipo mecha y fulminante ensamblado. Este frente se ubica a 39 m. de diferencia en cota y a 1.650 m. en distancia horizontal con respecto al centro poblado de la ciudad de Zaruma (cota 1.194 m.s.n.m.).

En “Matamoros” se realizaron 7 ensayos de perforación y voladura; los primeros 3 ensayos con el sistema de iniciación de explosivos del tipo mecha y fulminante convencional y la metodología de análisis del VOD por método continuo; los siguientes 4 ensayos con el sistema de iniciación de explosivos tipo mecha y fulminante ensamblado. Este frente se ubica a 78 m. de diferencia en cota y a 1.389 m. en distancia horizontal con respecto al centro poblado de la ciudad de Zaruma (cota 1.194 m.s.n.m.).

Valores mínimos de vibración y ruido obtenido en el ensayo Nº 4 (Figura 5a y 5b):

FIGURA 5a
Monitoreo de vibración y ruido mínimo, ensayo de Voladura Nº 4

FIGURA 5b
Monitoreo de vibración y ruido mínimo, ensayo de Voladura Nº 4

Los valores máximos de vibración y ruido obtenidos en el ensayo Nº 10 se visualizan en la figura 6a y 6b:

FIGURA 6a
Monitoreo de vibración y ruido máximo, ensayo de Voladura Nº 10

FIGURA 6b
Monitoreo de vibración y ruido máximo, ensayo de Voladura Nº 10

FIGURA 7
Relación carga explosiva, vibración y VOD, Frente de trabajo: Apófisis

FIGURA 8
Relación carga explosiva, vibración y ruido, Frente de trabajo: Apófisis

FIGURA 9
Relación carga explosiva, vibración y VOD, Frente de trabajo: Matamoros

FIGURA 10
Relación carga explosiva, vibración y ruido, Frente de trabajo: Matamoros

Los datos registrados del VOD mínimo son de 3.950 (m/s) hasta VOD máximo de 5.310 (m/s), vibración resultante mínima de 2,17 (mm/s) y resultante máxima de 11,5 (mm/s), niveles de ruido mínimos de 164 (dB) al máximo de 195 (dB); generados por concentraciones de explosivo por voladura de 7,6 kg hasta 35,49 kg.

Los niveles de vibración y ruido resultantes comparados con información normativa nacional vigente (Ecuador) e internacional (EE. UU) indica que en los ensayos donde se utilizó ANFO colocado como carga de fondo y de columna, presenta menores vibraciones; menor velocidad de detonación (VOD) y menor ruido; en comparación con el uso de Emulsiones y Nitrato de Amonio Agrícola. El análisis indica que la influencia de la explosión de las voladuras comparando VOD, vibración y ruido, se encuentran en un rango de 60 m (Ver Tabla 12, Figuras 9 y 10) a 80 m (Ver Tabla 11, Figuras 7 y 8) alrededor de la explosión; lo que no afecta a la infraestructura más cercana propia de la labor minera (oficinas y campamentos) y no se propaga hasta llegar a la ciudad de Zaruma.

CONCLUSIONES

La vibración mínima registrada es de 2,17 (mm/s) con un nivel de ruido de 164 dB en la voladura Nro. 5; en esta voladura no se cuenta con registro del VOD posiblemente a que en este ensayo se produjo una deflagración del explosivo que es una reacción más lenta que la detonación, lo que no permite relacionar la información de los tres criterios técnicos. Por lo que se considera el siguiente valor mínimo de vibración que es de 3,91 (mm/s) con un nivel de ruido de 170 dB, en una carga explosiva de 9,45 Kg dando como resultado un VOD de 4.120 (m/s), correspondiente a la voladura Nro. 4, en el Frente “Matamoros”. La relación VOD, vibración y ruido podría romper ventanas en construcciones que se encuentren cerca de 60 m. alrededor de la voladura.

La vibración máxima registrada es de 11.5 (mm/s) con un nivel de ruido de 195 dB, en una carga explosiva de 30.95 Kg dando como resultado un VOD de 4.850 (m/s), correspondiente a la voladura Nro. 10 en el Frente “Apófisis”. La relación VOD, vibración y ruido podría romper ventanas y causar pequeños daños en construcciones simples que tengan acabados de yeso y que se encuentren cerca de 80 m. alrededor de la voladura.

La Emulsión 5000 X 1 1/8" X 7" influye en el ANFO y en el Nitrato de Amonio, aumentándoles la fuerza explosiva en forma proporcional; sin embargo, el ANFO presenta menor vibración en comparación con el Nitrato Agrícola.

El uso de Emulsión 5000 X 1 1/8" X 6" en remplazo de la Emulsión 5000 X 1 1/8" X 7", en combinación con ANFO o Nitrato Agrícola, reduce la VOD, vibración y ruido.

El ANFO al ser compactado ocupa mayor kilogramo de explosivo por barreno; aumenta la VOD y el ruido, sin embargo, disminuye su poder de vibración.

Si reemplazamos la combinación de Emulsión 5000 X 1 1/8" X 6" como carga de fondo y de columna; por el uso combinado de Emulsión 5000 X 1 1/8" X 6" como carga de fondo y ANFO como carga de columna disminuye el VOD, vibración y ruido.

El uso de ANFO como carga de columna además de presentar buen poder de rotura en rocas de resistencia medias a altas, presenta niveles de vibración menores en comparación con el uso de Emulsiones 5000 X 1 1/8" X 6", y Nitrato de Amonio Agrícola de igual forma como carga de columna.

Los radios de influencia de las explosiones producto de la voladura; probados en 16 ensayos en una mina legalmente constituida cerca de la ciudad de Zaruma; son 60 m. de influencia en el caso del frente de trabajo “Matamoros” y 80 m. en frente de trabajo “Apófisis”; que si se los compara con la distancia al centro poblado de la ciudad de Zaruma; no llegan a ocasionar percepción o daño.

Agradecimientos

Agradecimiento al Instituto Geológico y Energético (IIGE) y a Explocen C.A. Explosivos para minería – Ecuador.

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Notas de autor

cristian.zuniga@geoenergia.gob.ec

Información adicional

Cómo citar: Zúñiga-Arrobo, C. A., Rojas-Villacís, C. A., Rosero-Padilla, C. D., Fernández-Suárez, L. G. & Idrovo-Palomeque, J. P. (2024). Velocidad de detonación del explosivo, vibración y ruido en pequeña minería subterránea, Zaruma – Ecuador. FIGEMPA: Investigación y Desarrollo, 17(1), 26-42. https://doi.org/10.29166/revfig.v17i1.4634