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Explosivos

VI Semestre

Ingeniería de Minas



Msc. Carlos Reátegui Ordoñez

1. Concepto de explosivos



1.1 Diseño y trazos de voladura en función aexplosivo/roca

¿ Que es un Explosivo?

“Los explosivos son mezclas de sustancias solidas,liquidas o gaseosas que mediante procesos químicos deoxido-reducción se transforman en milisegundos, enproductos gaseosos cuyo volumen inicial alcanza altastemperaturas y grandes presiones ”




Explosivos como rompedor

Los explosivos están fabricados de compuestos químicos

oxidantes y combustibles en una mezcla meta estable, queal recibir un estimulo suficiente se descomponenviolentamente liberando gran cantidad de energía la mismaque sirve para fragmenta roca o cualquier material.




1.1.1 Principales Características de unexplosivo

Un explosivo de uso industrial es una mezcla de un

oxidante y un combustible, que dan lugar a una reacciónexotérmica casi instantánea que genera una serie deproductos gaseosos a alta temperatura y presión que sonquímicamente mas estables y que ocupan un volumen deentre 1000 a 10000 veces mayor que los productos

originales.




Tipos deexplosivos

moleculares compuestos




Explosivos moleculares

Tienen el oxigeno y el combustible dentro de las mismasmoléculas.

La ventaja principal es que el proceso de oxido-reducción

es extremadamente rápido y completo.

Algunos ejemplos de este tipo son:

TNTRDX Ciclonita (trinitrofenilmetilnitramina)Pentrita, PT, PETN Tetranitrato de pentaeritrita.Nitrocelulosa




Explosivos compuestos

Contienen el oxigeno y el combustible en distintoscompuestos, la reacción es por lo tanto mas lenta.

Algunos ejemplos de este tipo son:

Emulsiones

Acuageles

ANFO.




En la industria minera básicamente se utiliza explosivoscompuestos debido a su fácil formulación, fabricación y subajo costo.

El explosivo mas usado es el ANFO y veremos dosconsideraciones técnicas para su fabricación en campo:

1. Tamaños de partículas.

2. Espacio libre




Tam año de par tícu las

En estado normal, el petróleo no se absorbe en la

superficie del nitrato de amonio pero cuando se muele fino,el área superficial llega a ser lo suficientemente grande y elpetróleo puede formar un fino recubrimiento sobre el polvo,para permitir y sostener la reacción de descomposición.

El polvo del nitrato de amonio es difícil de manejar, demanera que se desarrolla un prill poroso.




Espacio l ibre.

En el explosivo tiene dos propósitos.

1. Permite que el oxidante y el combustible se muevan juntos,si la densidad en volumen de la formulación es muy grande,el movimiento de los componentes es impedido y la

reacción se detendrá.

2. El espacio libre proporciona un mecanismo para generar“puntos calientes” causados por la compresión adiabática. Elcalor generado por esta compresión produce un puntocaliente que permite que la reacción se sostenga por símisma. Si la reacción encuentra una zona en que hayinsuficientes huecos, (por ej. donde no hay micro esferas) lareacción se apagará y la detonación cesará.




1.1.2 Termodinámica de la explosión

Los procesos de reacción del explosivo, según su carácterfísico químico y de tiempo se catalogan:

a. Combustión : es una reacción química que genera calor y sutiempo de reacción es relativamente lento.

b. Deflagración : es una reacción térmica que no supera los 1 000m/s.

c. Detonación : Es un proceso físico - químico que tiene una granvelocidad de reacción y produce una gran fuerza expansiva laque ejerce presión en el área circundante “onda de choque”




“la DEFLAGRACIÓN Y DETONACIÓN son fenómenos deóxido reducción donde la deflagración es de carácter subsónico y la detonación súper sónico”

“En ambos casos se producirá una ONDA DE CHOQUE yla zona donde la presión aumenta rápidamente sedenomina FRENTE DE CHOQUE”




Los explosivos se pueden clasificar en función a suvelocidad de reacción como:

1. Deflagrantes: velocidad < 1000 m/s.

2. E. Industriales : velocidad entre 1800 m/s- 5000 m/s

3. Altos Explosivos : Velocidad > 5000 m/s




Proceso de detonación




Propiedades de los explosivos

• Densidad: es una de las propiedades mas importantesdel explosivo, de define como el peso por unidad devolumen (g/cc, kg/m3).




• Fuerza o energía : Se puede definir como la capacidaddel explosivo para fragmentar la roca. La energíaexplosiva es el calor termoquímico de la reacción de unexplosivo y se expresa de 4 formas:

1. Po tenc ia Abso lu ta en Peso : calor entregado porcada gramo de explosivo

2. Po tenc ia abso lu ta po r vo lumen : calor de la reaccióndisponible en cada centímetro cúbico de explosivo




3. Po tenc ia Relat iva por Peso : calor de reacción porunidad de peso comparado con la energía de un peso

igual de ANFO.

4. Po tenc ia Relat iva por vo lumen : calor de la reacciónpor volumen de explosivo, comparado con la energíade un volumen igual de ANFO, a una densidad dada.




• Velocidad de Detonación (VOD), es la velocidad a laque la onda de choque viaja a través de la columnaexplosiva




• Presión de detonación: Cuando un explosivo detona,se libera una tremenda presión en forma instantánea enuna onda de choque que existe solo por una fracción desegundo e un punto dado. La presión repentina asicreada despedazará los objetos en lugar dedesplazarlos a esto se le conoce como “potenciarompedora”




• Sensibilidad: es la capacidad con la que un explosivopuede ser inducido a detonar.

• Resistencia al agua : es la capacidad del productopara aguantar la penetración de agua.

• Inflamabilidad: esta propiedad se refiere a la facilidad

con la que un explosivo o agente de voladura se puedeencender por calor.




• Calidad de Humos: los gases de la reacción que

resultan de la detonación consisten en dióxido decarbono, nitrógeno y vapor de agua, estos son notóxicos. sin embargo también se genera monóxido decarbono y óxidos de nitrógeno, estos se conocen como“humos”.




Generación de Humos en el ANFO




Química de la explosión




La cantidad de combustible requerido para lograr unamezcla con oxígeno balanceado se puede calcular que es15/254 ó 5.51%.

En el caso que se agregue menos combustible, se disponede un exceso de oxígeno y se produce óxido nitroso (NO)en adición a los productos de más arriba.

Debido a su baja estabilidad en la presencia de oxígenolibre, este producto se reduce rápidamente a dióxido denitrógeno (NO2) que es altamente tóxico, y combinadocon la humedad atmosférica forma ácido nítrico.




Energía

Cuando los explosivos reaccionan químicamente, liberandos tipos principales de energía.

1. Energía de Choque

2. Energía de Gas

Ambos tipos de energía se liberan durante el proceso dedetonación.




Energía de Choque




• Los parámetros termoquímicos mas importantes en lareacción de un explosivo son:

1. Presión de detonación.

2. Presión de explosión.

3. Presión de taladro.

4. Calor de Explosión

5. Volumen de explosión

6. Energía mínima disponible




Presión de detonación : es la que existe en el planoChapman-Jouguet detrás del frente de detonación, parafines prácticos se cálculo en base a la siguiente formula:

= ∗ ∗ ∗ −

donde:

PD = Presión de detonación en Mpa

de = densidad del explosivo en g/cc

VOD = velocidad de detonación en m/sW = velocidad de particula (productos) en m/s

10^-3= factor de conversión.




• Sabemos que el plano CJ se mueve a muy alta

velocidad y que el movimiento de los productos de laexplosión (W) solo alcanza 0.25VOD entonces

= ∗

∗ −

donde:

PD = Presión de detonación en Mpa

de = densidad del explosivo en g/cc

VOD = velocidad de detonación en m/s

10^-3= factor de conversión.




Presión de explos ión : esta se puede considerar como el50% de la presión de detonación:

= .

Presión de exp los ión o trabajo : se ha establecido lasiguiente relación en función de una gran cantidad deexplosiones

= ∗ .

Donde: dc es densidad de carga




Energía de Gas

• Los gases liberados a alta presión en la explosión,ejercen presiones muy altas en las paredes del taladro oen la superficie de contacto que provocan fracturas y

desplazamiento de la roca.

• Los elementos que producen estos gases se denominanelementos básicos o ingredientes, existen muchos

ingredientes que se usan para fines específicos




• Los elementos básicos que generan trabajo en lavoladura son aquellos que generan gases como elcarbono, el hidrogeno, el oxigeno y el nitrógeno.

• Para obtener el máximo de energía es necesario queestos elementos se oxiden completamente y formenlos siguiente productos

• El C debe reaccionar para formar CO2• El H debe reaccionar para formar H2O

• El N debe reaccionar para formar NO2




Energía de la explosión

• Estas reacciones producen energía que se mide enfunción a las calorías generadas durante la reacciónquímica.

• En el siguiente cuadro se ve la energía (Qp o Qr)generada por diversos elementos.

– El signo – significa reacciones exotérmicas o que libera energía

– El signo + significa reacciones endotérmicas o consume energía




Los elementos que se usan para la fabricación de

explosivos son aquellos que generan reaccionesexotérmicas.

En una reacción química ideal de los componentes del

explosivo (C,O,H,N), se utilizarán todos los átomos de Onecesarios, es decir no faltará ni sobrará ningún átomo deO.

Esta condición se llama balance al ox igeno

En una reacción balanceada al oxigeno se libera mayorcantidad de energía




Calculo el calor de explosión

Calor de la exp los ión : es el calor liberado por el procesode reacción de un explosivo.

De acuerdo a la primera ley de la termodinámica este,cundo se produce una explosión a presión constante y se

produce un trabaja de expansión o compresión

Qc= Uc+PV)

donde:

Qc = calor liberado por la explosión

Uc = Energia Interna del explosivo

P = Presión

V = Volumen




Como (Uc + PV) se refiere al calor contenido o entalpia(Hp) entonces la ecuación queda como:

Qc= Hp

De lo anterior se ve que el calor de la explosión a presiónconstante es igual al cambio de entalpia, esto permitecalcular el Qe estableciendo el balance térmico de lareacción:

Qe= Qp-QrQe= calor de explosión

Qp =calor total de formación de productos componentes

Qr = Calor total de formación de productos resultantes




Rotura de rocas con explosivos (conceptobásico)

1. El explosivo detona creando tensión en la roca y altaspresiones de gas en el taladro.

2. Se producen grietas en la roca causadas por la formadel esfuerzo.

3. El gas a alta presión actúa como cuña para expandirlas grietas (tanto en las grietas existentes antes de laVoladura y aquéllas inducidas por la Voladura).

4. La roca es desplazada hacia el lugar de menosresistencia.




LA FRACTURA DE ROCAS CON EXPLOSIVOS

Cara Libre

El explosivo detona

produciendo ondas

de tensión

Se producengrietas

de tensión en la

roca

La presióndel gas expande

las grietas

El movimientocomienza

hacia

la cara libre




Semana 2




1.2 Perforación: Factores que afectan eldesempeño del explosivo

La perforación consiste en formar un “hoyo” tambiénllamado “taladro” donde se pueda alojar cierta cantidad deexplosivos para poder detonarlo.

Esta se puede realizar por medios manuales (cincel ycombo), por medios mecánicos-hidráulicos-eléctricos(perforadoras).

La disposición de los taladros corresponde a una lógica, yse denomina malla de perforación.




Perforación

Energía mecánica

Sistema de Perforación

Método

Rotopercutivo Rotativo Perforaciónmanual

Perforaciónmecanizada

Tipo de maquinaria Tipo de trabajo

P. de banqueo

P. de avance

P. de producción

P. de chimeneas

P. de recubrimiento

P. con sostenimiento

utiliza

que define




a. Rotopercutivos

Martillo en cabeza- Neumático

- Hidráulico

Martillo en fondo

- Neumático

b. Rotativos: brocas- Rotativos con triconos (cielo abierto)

- Rotativos en chimenea (raise boring )

Métodos mecánicos de perforación

Raise DrillOperating Cycle

Working aboveOr below ground, theMachine drills aPilot hole.

2. A reamer is Attached in placeOf the drill bit.

3. The raise drill

Pulls the reamerToward itself.Tailings fall downThe shaft and areRemoved.




Selección del diámetro de Perforación

El primer paso en el proceso de perforación, esseleccionar el diámetro de taladro mas apropiado.

Existe un axioma “mientras mas grande es el diámetro deltaladro, menor el costo de perforación por unidad deproducción”




Selección del diámetro de Perforación

En la practica el aumento del diámetro de perforaciónreduce el costo total de perforación, sin embargo se pierdealgún grado del control de la fragmentación queincrementa el costos de excavación, transporte ychancado, además se puede generar bloques sobredimensionados que requieren de voladura secundaria.




La forma mas sencilla de determinar el diámetro deltaladro es relacionar este a la altura del Banco.

Como una guía empírica el diámetro de taladro deberáestar entre 0.5% y 1 % del largo requerido de Perforación.




Una Formula sugerida por C. McKenzie es:

d = H/0.150

d = diámetro (mm)

H = altura del taladro (m)

Si relacionamos en una formula empírica simple elburden (B) y el espaciamiento (E) al diámetro de taladro

B = (20 a 40) dE = 1 a 2 B

Y el taco es T = (25-30) d




Ejemplo

Se tiene una operación de minería a cielo abierto donde seha diseñado un banco de explotación de 12 m, lasuperintendencia desea que se diseñe la malla alternaequilátera de perforación para una macizo rocoso mediodonde se usa ANFO.

B= 30- 40 d

d= H/0.150 = 12/0.150= 80 mm =0.08 m

B= 40 (0.08) = 3.2 m

E= 1.15B = 1.15* 3.2= 3.7 mT= 30 (0.08) = 2.4 m

Malla es 3.2 X 3.7




Selección del método de perforación




1.2.1 Diámetro crítico, distribución geométrica de los hoyosy razón de rigidez

Diámet ro crítico :

La capacidad de detonar de un explosivo confinado,también conocida como sensibilidad, esta relacionado

directamente al volumen del cilindro (Taladro) donde estácontenido.

En el caso de perforación el diámetro es el factor masimportante para formar este cilindro en terreno. Entoncesel diámetro de perforación determinará cuales el rango deuso de explosivos que detonan, a esto se denomina“diámetro critico”




Todos los compuestos explosivos tienen un diámetrocrítico. existen compuestos donde puede ser tan pequeñocómo un milímetro y otros donde puede tener un diámetrocrítico de 100 milímetros.

El diámetro de la broca de perforación determinará eld iámetro máximo de la carga de co lumna . Este diámetrode la carga, debe ser mayor al diámetro crítico del

explosivo que se usará en ese taladro.




Es importante seleccionar con anticipación ciertosdiámetros de taladro ya que esto eliminará ciertosproductos explosivos para usarse en un trabajo especifico.

La sensibilidad es también una medida de la capacidad delexplosivo para propagar la reacción de cartucho acartucho, asumiendo que el diámetro es superior al crítico.Se puede expresar cómo la distancia máxima de

separación (en centímetros) entre un cartucho cebado yuno sin cebar, donde la transferencia de la detonaciónocurrirá




TIPO Diámetro Critico

< 25 mm 25 mm-50 mm >50 mm

Dinamita granulada

X

Dinamita Gelatina

X

Emulsión.

Encartuchada

X X X

Emulsión Granel X

X

Anfo Neumático

X

Anfo vaciado

X

Anfo encartuchado

X

X

Anfo pesado

X




Geometría de los hoyos o taladros

Un primer factor que determinara los resultados de lavoladura es la geometría de la malla de perforación,existen tres mallas fundamentales:

I. Malla cuadrada (B= E)

II. Malla rectangular (B<E)

III. La malla escalonada.




Si vemos en un plano la superficie del banco, las áreasfracturadas alrededor de los barrenos se puedenrepresentar como círculos.

Es lógico asumir que cada punto en la superficie debe caerdentro de al menos uno de estos círculos para que ocurrauna fragmentación adecuada.




Malla Cuadrada

• El área de la onda dedetonación no completael 100% del área de

influencia

• En esta área no alcanzadase produce problemas de

fragmentación o rotura, siesto es grave puede quedarun pilar.




Malla cuadrada E/B=1.5

• El área de la onda dedetonación no completael 100% del área de

influencia

• En esta área alcanzamas que la del cuadradoequilátero pero nocompleta




Malla Escalonada E/B=1.15

• El área de la onda dedetonación alcanza el100% del área de

influencia

• Con esta malla se lografragmentar toda la rocade forma uniforme


Ef t d l di ñ d f ió fi i t E/B



Efecto del diseño de perforación y coeficientes E/B en unárea cubierta por círculos de fractura

Coeficiente E/B DiseñoCuadrado

DiseñoEscalonado

1

77 %

98.5 %

1.15 76 % 100 %

1.25 75 % 99.5 %

1.5 71 % 94.6 %

2 62 % 77 %




Razón de rigidez o esbeltez

La razón de rigidez se define como la relación de la alturadel banco (H) entre el Burden (B)

Razon de rigidez = H/B


B

H



La capacidad de flexión de una viga esta en función larazón del área tranversal (X) y la longitud de la viga (L),cuando se aplica una fuerza F la viga se tensiona, sinembargo existe un punto donde la fuerza hará colapsar la

viga.




En voladura sucede lo mismo, el burden (B) es el áreatransversal y la altura de banco (H) es longitud, siaplicamos una fuerza F, generada por la detonación, lafacilidad o dificultad de colapso dependerá de la relación

H/B.

Los resultados de la voladura se pueden relacionar alíndice de rigidez de acuerdo a la siguiente tabla





Razón de rigidez Fragmentación Airblasts Flyrock Vibraciones

1 Mala Severo Severo Severo2 Regular Regular Regular Regular3 Buena Buena Buena Buena4 Excelente Excelente Excelente Excelente

1 2 2 Distribución del explosivo en el taladro



1.2.2.Distribución del explosivo en el taladro,

Posición y tamaño del iniciador

La distribución está referida a la uniformidad con la que elexplosivo se coloca dentro del volumen que lo contiene(Taladro u Hoyo).

Esta distribución es critica porque determinará ladistribución de la energía en el macizo. Los factores queinfluyen son:

Diámetro del taladro

Densidad del explosivo y potencia en volumenLargo del tacoBurden y EspaciamientoSub Perforación (J)




Ejemplo

En la figura siguiente se compara dos distribuciones deexplosivos en taladros con el mismo factor de carga (0.5kg/m) pero diferente diámetro ( 100 mm y 311 mm).

Debido a que el B, el E y J están calculados en funcióndiámetro las mallas son diferentes. Así si consideramosque:

B=25 D, E=1.15B y J= 0.2B

Tenemos que:D= 100 : B=2.50 m E= 2.88 m y J= 0.5 m

D= 311 : B=7.78 m E= 8.95 m y J= 1.6 m





Para corregir esta distorsión se debe usar la siguiente



Para corregir esta distorsión se debe usar la siguienteecuación que determina la relación de carga (cr):

Cr= (H-J-T)/HDonde:

Cr = relación de carga

H = altura del Banco

J = sub perforación

T = TacoSi usamos esta relación en el ejemplo tenemos ( H=15 yT=0.4 H), el factor de carga será

Cr = (15 - 1.6 -6)/15 = 0.493fc = 0.5 kg/m * 1.49

fc = 0.745 kg/m




Posición del Iniciador:

Existe un tiempo finito para la reacción de la detonacióndentro del explosivo alcance su velocidad régimen, durante

este tiempo el VOD del explosivo aumenta continuamentea medida que mas y mas explosivo reacciona.

Experimentalmente se ha determinado que la longitud de

este incremento de VOD es de 3-5 veces el diámetro acada lado del iniciador.





3-5d



Posición del detonador

• Al nivel de piso • Al centro de la columnaexplosiva




1.2.3 Leyes de escalonamiento

Las malla de voladura están en función del explosivo quese usa, sin embargo si se cambia de explosivo, estasmallas también tendran que cambiar.

La forma como cambian estas mallas está relacionada a laPotencia relativa en volumen (PRV) y al diámetro alcuadrado (d²)

Ks=


Donde:



Donde:Ks es el factor de escalamientoPRV1 es la nueva condiciónPRV0 es la condición inicial

Del resultado del factor de escalamiento (Ks) se puedeincrementar la malla con la siguiente formula:

= ()

Donde n varia de 0.6-1

Otro factor geométrico que se debe re calcular es el Taco,debido a que se incrementará la presión en el taladro:

= /




Ejemplo

Si deseamos ampliar la malla de 3.2 x 3.7 para unexplosivo tipo emulsión bombeable 70:30 y sin cambiar eldiámetro tenemos

B0 = 3.2; E0= 3.7; T0 = 2.4 m

PRV0= 1 PRV1= 1.69

Determinamos Ks.

Ks=

= Ks =.

.

.

=1.69




"Q" "A" Potencia Potencia

Energia energía útil util util

Producto Densidad1 Resistencia termoquímica (mj/kg) Relativa por Relativa por VOD

g/cc el agua (mj/kg) @ 1000 atm Peso Volumen

25°C @1000 atm @1000atm

ANFO 0.8 0 3.75 2.03 1.00 1.00 20 4,450.00

HA

Emulsión : ANFO

20:80 1.05 0 3.55 2.19 1.08 1.38 33 4,998.50

25:75 1.13 1 3.50 2.25 1.11 1.52 37 5,151.00

30:70 1.20 2 3.45 2.30 1.13 1.66 42 5,303.30 35:65 1.25 3 3.40 2.32 1.14 1.74 46 5,394.70

40:60 1.30 4 3.35 2.36 1.16 1.85 50 5,516.60

45:55 1.35 5 3.30 2.38 1.17 1.93 54 5,608.00

50:50 1.30 5 3.25 2.30 1.13 1.79 49 5,455.70

55:45 1.30 5 3.20 2.27 1.12 1.77 48 5,394.70

Mezcla

Bombeada

60:40 1.30 5 3.15 2.24 1.10 1.75 47 5,333.70

65:35 1.30 5 3.10 2.21 1.09 1.73 47 5,272.80

70:30 1.30 5 3.05 2.17 1.07 1.69 46 5,211.80

72:25 1.30 5 3.00 2.14 1.05 1.67 46 5,151.00

80:20 1.30 5 2.95 2.11 1.04 1.65 45 5,090.00

Potencia del

taladro (Katm)




Ejemplo

Determinamos B1S1

= () = = 1.69.(11.84)

= 1.30 11.84 = 15.40

B1 E1 = 15.40

B1 (1.15B1)=15.4 0

B1² = 15.40/1.15

B1 = √13.40 = 3.70

B1 = 3.70 y E1= 4.20




Determinamos el taco (T)

= /

= 1.69/ 2.4 = 1.192.4 = 2.86

La nueva malla tendrá B= 3.70 E= 4.20 T=2.86

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