CAPÍTULO 4 EXPLOSIVOS BASADOS EN NITRATO DE AMONIO

4.1 INTRODUCCIÓNEl nitrato de amonio es un ingrediente esencial en la mayoría de los explosivos comerciales, como en las dinamitas, emulsiones, anfo pesado, water gels, etc. Las propiedades explosivas del AN fue usada en 1867 por Alfred Nobel para reemplazar parte de la nitroglicerina en la dinamita. El uso del AN como un ingrediente típico, fue solo en la fabricación de la dinamita; hasta que en 1955 H.B. Lee y R.L. Akre patentaron como un explosivo, a la mezcla del AN-grado fertilizante y un combustible sólido (carbón) como sensibilizador. Posteriormente el combustible sólido, fue reemplazado por el petróleo, naciendo con ello el ANFO como un agente de voladura. Durante la década del 60 el AN/FO empezó a reemplazar a la dinamita en los taladros secos debido a su bajo costo, manipuleo seguro y carguío rápido.  

La energía entregada por el ANFO, es mejorada con la adición de partículas de aluminio, dando como resultado un nuevo agente de voladura, conocido con el nombre de ANFO aluminizado. Posteriormente, a partir de los años sesenta del siglo pasado se desarrollaron las emulsiones que son sustancias explosivas enérgicas muy resistentes al agua.Uno de los adelantos más significativos sobre el ANFO básico, es el desarrollo de las mezclas ANFO-EMULSION, conocido también como el Heavy ANFO (ANFO pesado). Estas mezclas están siendo usadas en muchas operaciones, obteniéndose mejor performance y fragmentación, que otras mezclas explosivas. En la figura 4.1 se puede observar los parámetros que influencian en el performance de los explosivos secos (ANFO) y bombeables (emulsión y ANFO pesado).

COMPONENTES QUÍMICOS QUE FORMAN LA MEZCLA EXPLOSIVA

CALOR DEEXPLOSIÓN

VOLUMEN DEGASES

POTENCIARELATIVA POR

VOLUMEN

PERFOMANCE

CONSISTENCIADEL EXPLOSIVO

TAMAÑO DEPARTÍCULA

TAMAÑOCRÍTICO DE LA

CARGA

DENSIDAD DELEXPLOSIVO

TAMAÑO DECARGA DE

EXPLOSIVO

VELOCIDAD DEDETONACIÓN

PRESIÓN DEDETONACIÓN

Figura N° 5.1: Parámetros que influyen en el perfomance de los explosivos secos y bombeables.

4.2 NITRATO DE AMONIOEl nitrato de amonio en la forma químicamente pura, esta compuesto de:- 60% de Oxígeno, - 33% de Nitrógeno- 7% de Hidrógeno; en peso.El nitrato de amonio es un compuesto químico, que tiene dos usos diferentes, como fertilizante e ingrediente básico de mezclas explosivas. Esta sustancia es producida por la neutralización del ácido nítrico con amonio. La solución resultante es evaporada y convertida en forma de escamas densas o granos tipo prills. Los prills de nitrato de amonio producido se pueden clasificar en grado agrícola y grado voladura.

4.2.1 Prills Grado AgrícolaLos prills son densos y duros. La densidad está generalmente sobre 0.88 g/cc. y como máximo tienen 0.3% de agua. Estos prills son esféricos, tiene alto contenido de arcilla y adquiere una coloración de la misma.

4.2.2 Prills Grado VoladuraPara la fabricación se utiliza una torre más alta, por que el AN líquido contiene 4% de agua y la altura adicional provee un tiempo más largo para que los prills se congelen en la corriente de aire y la mayor parte de la humedad es extraída de los prills durante una caída controlada dejando así vacíos dentro de los mismos. Estos vacíos incrementan la porosidad, lo cual a su vez mejoran su propiedad para absorber petróleo.

4.2.2.1 PropiedadesLas propiedades importantes de los prills grado voladura son:- Bajo contenido de arcilla.- Bajo contenido de humedad.- Tamaño adecuado para un flujo libre.- Baja densidad. - Baja friabilidad. - Consistencia de no apelmazamiento.Es necesario el bajo contenido de arcilla en los prills, por que ésta disminuye las propiedades explosivas al mezclarlos con el petróleo. El alto contenido de humedad hace mucho más susceptible al apelmazamiento, en el almacenaje y la humedad también interfiere a la absorción y retención del petróleo. El AN es soluble en agua.La friabilidad es un término que algunas veces es usado para describir la suavidad o dureza de los prills. Existe una relación entre friabilidad y densidad. Los buenos prills tienen menor resistencia o una alta friabilidad; aún éstos deben ser suficientemente rígidos para soportar la manipulación en el campo, de modo que no se quiebren.

4.2.2.2 EspecificacionesLa distribución del tamaño de los prills debe estar entre las mallas 6 y 20 de la serie Americana. Este tamaño es el óptimo para el carguío de flujo libre. Los de tamaño más finos proveen altas velocidades de detonación pero; tienden a apelmazarse, además éstos absorben mayor cantidad de petróleo, creando una deficiencia de oxígeno, lo cual afecta la performance. Los prills deben ser porosos; capaces de absorber rápidamente y retener la cantidad necesaria de petróleo (5.7% en peso). Cuando el contenido de petróleo es menor al indicado, tienen exceso de oxigeno que disminuye la velocidad de detonación y reduce la energía de la reacción. La densidad, al granel debe estar en el rango de 0.73 a 0.82 g/cc. La propiedad de un prill con petróleo para ser detonado depende de su densidad, por tanto; éste debe ser liviano y poroso.

4.2.2.3 Clasificación y AlmacenajeEl AN, es un oxidante y por lo tanto, no debe contener más de 0.2% de carbón. Cuando el AN contiene mas del 0.2% de carbón, como es el caso con el ANFO, la mezcla resultante debe ser almacenada de acuerdo al Reglamento de Seguridad.4.2.2.4 Cambios debido a la Humedad y Temperatura El nitrato de amonio responde a los cambios de temperatura modificando su estructura cristalina, éste fenómeno se llama ciclaje. Después que ha sufrido más de un cambio, el revestimiento protector impermeable es quebrado; la humedad del aire se condensa sobre las partículas y el ciclo de cambios continúan, la masa se disolverá y recristalizará en cristales mucho más grandes que el tamaño original; por lo tanto, la performance de un producto ciclado no será eficiente. Las temperaturas en los cuales ocurrirá el cambio bajo condiciones normales, esta entre 0° y 90° F

4.3 AN/FOAl inicio de la década de los 50, se descubrió que al mezclar el petróleo diesel N° 2, en una proporción entre 5.5% a 6.0% por peso con el AN, se producía un agente de voladura práctico y económico. Esta relación óptima provee la mejor performance explosiva y pocos humos tóxicos después de la voladura.

Es importante señalar que no se debe emplear el petróleo N° 1, kerosene y gasolina por que incrementan el peligro de la explosión del vapor debido a su volatilidad y bajo punto de iniciación; tampoco debe utilizarse el petróleo crudo, por que podría contener impurezas volátiles e incluir partículas arenosas que aumentarían la sensitividad.

4.3.1 Performance del ANFO El ANFO, genera una presión de detonación, y una buena presión de taladro que mayormente, da como resultado un buen lanzamiento del burden.La liberación de energía disponible del ANFO es afectada por:- Tamaño y distribución de las partículas del AN.- Contenido de petróleo.- Grado de confinamiento- Diámetro de la columna explosiva.- Sistemas de iniciación.- Humedad.- Líneas descendentes de cordón detonante.

(pulg.) VOD (pies/seg)

1 ½” 8 000

2 ½” 11 600

3” 12 000

6 ½” 13 900

9” 14 500

15” 15 000

La velocidad de detonación es un indicador de la calidad de la mezcla explosiva. Generalmente, a mayor velocidad de detonación, la liberación de la energía disponible es alta. La velocidad de detonación en diferentes diámetros de taladro, se aprecia en la Tabla 4.1.

TABLA 4.1 Velocidad de detonación del ANFO para varios diámetros de taladro

* Carguío manual

El balance de oxigeno adecuado es cuando la mezcla contiene 5.5% de petróleo y 94.5% de AN por peso. Cualquier desviación del balance de oxígeno en el ANFO dará como resultado una pérdida de energía en la voladura.

Las mezclas explosivas que contienen menos del 5.5% de petróleo, pierden mayor energía por la formación de gases nitrosos. En aquellas mezclas que contienen mayor cantidad de petróleo diesel No. 2 existe menor pérdida de gases por la presencia de monóxido de carbono.

El AN/FO, genera una presión de detonación, y una buena presión de taladro que da como resultado en la mayoría de las veces un buen lanzamiento del burden. La parte negativa del AN/FO es su baja resistencia al agua, por ser muy higroscópica.

5.4 AN/FO ALUMINIZADO

El aluminio se agrega al agente de voladura ANFO, al granel en diferentes proporciones que oscila por lo general entre 5% a 10% en peso, a esta mezcla se denomina AN/FO aluminizado. El Aluminio es un combustible altamente energético, e incrementa la liberación total de energía, la potencia por volumen, la presión y la temperatura de detonación del explosivo, pero; no es apreciable el decremento de la velocidad de detonación.

La reacción del aluminio durante la detonación da como resultado la formación de óxidos sólidos y se forman productos no gaseosos conteniendo aluminio. El volumen total de gas generado por éste explosivo es reducido; por lo tanto la presión de detonación es mayor. El calor de formación del óxido de aluminio es de 16.26 MJ/Kg y resulta que el calor de explosión aumenta a medida en que la temperatura de los gases se incrementa. Esta temperatura muy alta del gas ayuda a compensar la reducción en el volumen del mismo; por que un volumen dado de gas, puede hacer más trabajo a medida que la temperatura es incrementada.

Explosivo Densidad (g/cc)

Potencia relativa por peso (RWS) ANFO=100

Potencia relativa por volumen

(RBS) ANFO=1,00

AN/FO 0,85 100 1,00

Al/AN/FO 5% Al 0,88 112 1,16

Al/AN/FO 10% Al 0,91 123 1,32

Al/AN/FO 15% Al 0,94 134 1,48

TABLA 4.2 Potencias relativas por peso y potencia relativa por

volumen del AN/FO aluminizado

RWS = Potencia relativa por peso.

RBS = Potencia relativa por volumen.

Características del Aluminio

El aluminio grado combustible, debe adecuarse a ciertas especificaciones para reaccionar completamente en el explosivo. Las especificaciones importantes son aquellas de tamaño, pureza y densidad; también como el de las características de flujo de las partículas para los sistemas al granel.

El tamaño de las partículas debe de estar entre la malla 20 y 150 Serie Americana. Las partículas mayores de 20 tienden a reaccionar lentamente y las menores a 150, presentan un peligro de polvo en la explosión.

4.5 EMULSIONES4.5.1 IntroducciónLas dinamitas basadas en NG poseen pobres características de seguridad durante su manufactura, transporte y uso. Para esta razón el uso de las dinamitas está disminuyendo con el tiempo. Explosivos más seguros los están reemplazando gradualmente. Los productos reemplazantes han sido el AN/FO, slurries y emulsiones. El AN/FO tiene una baja densidad el cual limita su energía de voladura. También este tiene una pobre resistencia al agua y no puede ser usado en taladros que contienen agua, a menos que sea encartuchado en contenedores que eviten el agua. 

Los slurries aparecieron en los 1950 debido a la necesidad de un explosivo que tenga buena resistencia al agua y una alta potencia por volumen. Varios tipos de explosivos slurries han sido desarrollados, desde slurries sensibilizados como altos explosivos hasta no explosivos, productos sensibilizados sin metal. Algunos de estos slurries contienen sensibilizadores líquidos no explosivos (monometil amino nitrato, mononitrato glicol etileno, nitrato etilamina).

Se puede decir que los slurries comprenden un componente oxidante, principalmente nitrato de amonio, un componente combustible disperso o disuelto en un medio acuoso continuo, el cual es espesado usualmente por goma guar (gum guar), y, donde se requiere un performance alto se necesita que contenga sensibilizadores.

Una composición química de un slurry NCN es el siguiente:

COMPOSICIÓN TÍPICA DE UN SLURRY NCNFase continua Agua 15-20%Sales inorgánicas 65-80%Agente enlazante - goma 1-2%Fase discontinua Petróleo 2-5% Agente gasificante 0,2%

Una seria desventaja de los slurries es el hecho que ellos no detonan idealmente aún en taladros grandes. Esto es un resultado de la rudeza (tosco) de su mezcla el cual hace que la reacción del proceso sea incompleta dentro de la onda de detonación. Para mejorar esto y otras desventajas de los explosivos slurries la próxima etapa en el desarrollo de los explosivos comerciales fue la invención de los explosivos emulsión.

4.5.2 Composición química de los explosivos emulsiónUn explosivo tipo emulsión comprende principalmente de sales inorgánicas oxidante, combustibles orgánicos insolubles en agua, un emulsificante y un agente de volumen (bulking agent). La fase de aceite combustible es la fase externa o fase continua, mientras que la fase de sal oxidante es discontinua. Esta fase discontinua comprende de gotas pequeñas sobresaturadas suspendidas en la fase aceitosa continua. El agente de volumen es añadido para controlar la densidad como una tercera fase dispersa en la emulsión básica. Esto puede ser burbujas de aire ultrafinos o burbujas artificiales hechos de vidrio, resina, plástico, etc. El agente emulsificante reduce la tensión superficial y la energía requerida para crear nuevas superficies. Por consiguiente esto ayuda al proceso de subdivisión y dispersión de tas gotas en la fase continua. El agente emulsificante también reduce el rango de coalescencia revistiendo la superficie de gotas con una capa molecular de agente emulsificante.

Una composición típica de un explosivo tipo emulsión es dado el siguiente:

COMPOSICIÓN TÍPICA DE EMULSIÓN

Fase discontinuaAgua 10-22%Sales inorgánicas 65-85%Vacíos 1-2%

Fase continuaCombustible 3,5-8%Emulsificador 0,8-1,2%

El componente combustible carbonáceo de la fase continua puede incluir hidrocarburos parafínicos, oleofínicos, naftánicos, aromáticos, saturados o no saturados. El combustible carbonáceo es. un combustible emulsificable inmiscible con el agua que es líquido o liquefactable en una temperatura de 90°C. Sin embargo cierto porcentaje del componente debería ser una cera o un combustible, o una mezcla de ellos. Ceras que tengan un punto fusión suficientemente alto pueden ser usados. Tales ceras incluyen ceras micro cristalinas, ceras parafina y ceras mineral. Se ha encontrado que emulsiones más estables pueden ser obtenidos usando una mezcla de una cera micro cristalina y cera parafina.

Combustibles adecuados usados son los diversos combustibles de petróleo. La viscosidad del combustible no es tan importante para las emulsiones. La emulsión puede contener combustibles auxiliares tales como aluminio, alloys de aluminio, magnesio, etc.

Los emulsificadores usados son agua en emulsificadores combustible tales como oléate de sodio, sorbitan monolaurate, sorbitan monostereate y triestearate de sodio.

La fase acuosa discontinua contiene sales inorgánicas oxidantes disueltas en agua. La sal inorgánica oxidante consiste principalmente de nitrato de amonio. Sin embargo otro nitrato inorgánico tal como el nitrato de sodio, o un perclorato inorgánico tal como el perclorato de amonio o una mezcla de ellos pueden utilizados en la formulación. Se ha encontrado que generalmente la presencia de un material tal como el nitrato de sodio permite grandes cantidades de sal oxidante a ser disueltos en una temperatura dada influenciando a la densidad final de la emulsión.

El gas forma una fase discontinua en la emulsión. Esto podría ser en la forma de burbujas de gas, los cuales son introducidos mediante agitación, inyección o medios químicos, o en la forma de celda cerrada, material conteniendo vacíos tales como esferas plásticas, esferas de perlita o micro esferas de vidrio vacíos.La función del gas o del material que atrapa el gas es reducir la densidad de la emulsión. Cualquier gas puede ser usado para tal propósito. Sin embargo si un gas combustible o un material que atrapa material combustible es usado, se debería incluir en el cálculo para el combustible total.

El tamaño usual de las micro esferas de gas es de 60-70 um. La distribución de su tamaño está entre 40 y 100 um. Micro esferas muy pequeñas no actúan como puntos calientes., durante la detonación, sino como ingredientes sólidos. De igual manera micro esferas de paredes gruesas son más difíciles de colapsar y no son eficientes como aquellos de paredes delgadas.Las micro esferas pueden ser usadas en explosivos emulsiones pero no en un proceso continuo. La razón para eso es que un proceso continuo requiere un mezclador con acción de corte el cual destruye las microesferas plásticas,

Recientemente, se han realizado esfuerzos para reemplazar las micro esferas de vidrio con micro esferas de perlita, las cuales son más baratas. Sin embargo los explosivos tipo emulsión contienen micro esferas de perlita proveídos para ser menos sensibles que aquellos que contienen esferas de vidrio. La razón para eso es que las burbujas de perlita no son esferas, sus vacíos están conectados unos con otros y algunas veces ellos no proveen una cavidad sellada para actuar como un punto caliente.Debido al tipo de mezcla en las emulsiones, la fase acuosa oxidante es protegida mediante una fase continua de petróleo. Po lo tanto la evaporación del agua durante el almacenamiento es prevenido y la penetración del agua desde la parte extema en la emulsión básica es inhibida. De acuerdo a Wade el proceso es tan efectivo que las emulsiones tienen excelente resistencia al agua y no dependen de un empaque por su habilidad para funcionar en taladros que contienen agua.

Debido a su estructura la consistencia física de las emulsiones está relacionada principalmente a las propiedades de la fase continua. Los combustibles inmiscibles con agua pueden ser seleccionados de modo que las emulsiones pueden ser fabricadas en una variedad de formas. Composiciones duras como masilla adecuadas para productos empaquetados o emulsiones casi fluidos, bombeables, adecuados para el carguío al granel, pueden ser fabricados.Las emulsiones tienen una vida larga, una potencia por volumen alta y buenas propiedades de seguridad. Por consiguiente los explosivos tipo emulsión contienen una flexibilidad que permiten aplicaciones en operaciones de tajo abierto y subterráneo bajo un amplio rango de condiciones.El sistema que ha sido descrito anteriormente es el más simple. Durante los últimos 12 años diferentes modificaciones han sido desarrollados. La más importante es el desarrollo de una mezcla emulsión-ANFO llamado AN/FO pesado.

4.5.3 Performance de los explosivos emulsiónLas velocidades de detonación de los explosivos emulsión se aproxima a aquellos cálculos termo hidrodinámicos aún cuando la carga de ensayo es de un diámetro relativamente pequeño. Esto indica un performance cercano al ideal aún en diámetros pequeños.La figura 4.2 muestra las curvas velocidad de detonación - diámetro de carga para una emulsión típica de diámetro pequeño y un slurry típico de diámetro pequeño que tiene una composición similar. Es obvio que la región no ideal es extensa en el caso de los slurries y corto en el caso de las emulsiones. Esto es debido a la intimidad (relación intima) de la mezcla la cual lograda mediante el proceso de emulsificación. Esto reduce el tamaño efectivo de la partícula del producto y el tiempo para reaccionar en el frente de detonación. De otro lado los slurries son una mezcla tosca de una fase de solución oxidante, las gotas de combustible y oxidante sólido y componentes combustibles.

Porque las emulsiones alcanzan performance ideales en diámetros pequeños, ellos son ideales para usar en voladura secundaria, para voladura de formaciones de roca dura y para uso como iniciadores.

Figura 4.2. Curvas VOD-diámetro de carga para una emulsión y un slurry que tienen composiciones similares y una densidad de 1,15 g/cm3.

El efecto de la temperatura baja en las emulsiones de diámetro pequeño es mostrado en al figura 4.3. Las temperaturas bajas aumentan los diámetros críticos de la emulsión.

Figura 4.3. Efecto de temperatura baja en una emulsión típica sensible a un fulminante.

El efecto de la presión hidrostática en el performance de las emulsiones sensibilizadas con micro esferas es mostrado en la figura 4.4. Obviamente que la emulsión no fue afectada significativamente por las presiones hidrostáticas.

Figura 4.4. Efecto de la presión hidrostática en una emulsión sensibilizada con micro esfera de diámetro pequeño.

La figura 4.5 muestra el efecto de sobre presión en la densidad de la emulsión y dos slurries, otro sensibilizados con burbuja de gas y otro conteniendo algunas micro esferas. La densidad de la emulsión no cambió significativamente mientras que la densidad del slurry si.

Figura 4.5. Cambio de densidad con sobrepresión para slurries y emulsiones.

Un problema que ha sido encontrado con productos sensibilizados con esferas de vidrio es el efecto de desensibilización de las líneas de cordón detonante o taladros vecinos que detonan en un retardo previo. Las presiones de choque (asumidos de ser de una potencia menor que el requerido, para una iniciación directa del producto) puede romper las micro esferas o averiar el producto y causar desensibilización.

4.5.4 Fases de las emulsiones

Las emulsiones constan en general de dos fases: fase interna y fase externa.

Fase Interna.- Está compuesta de una solución de sales oxidantes (agua-nitrato de amonio), suspendidos como burbujas microscópicamente finos.

Fase Externa.- Es aquella fase continua de combustible (petróleo), que rodea a las burbujas de la fase interna.

Esta fotografía de microscopio electrónico fue capturado en Changsha Institute of Mining and Metallurgy, en la Provincia de Hunan, China. Muestra gotas que varían desde 960 nanometros hasta 3,44 micrometros, esta emulsión matriz contiene una muy eficiente e íntima disposición de combustibles y oxidantes.

This electron microscope photograph was captured 13 March 2009 at the Changsha Institute of Mining and Metallurgy, in Hunan Province, China.  This outstanding photograph is an example of the advanced ZMW  emulsion explosives technology that results in an ultra small and evenly distributed emulsion droplet. With droplets ranging from 960 nanometers to 3.44 micrometer, this emulsion matrix contains a very efficient and intimate arrangement of fuels and oxidizers, assuring a high quality detonation and a long shelf life with no segregation.   The emulsion matrix was produced with a ZMW formulation for underground coal mining or permissible explosive fabricated with ZMW designed equipment at the Changzhi Production Plant in Shanxi Province  supported by Gang Ming and the excellent staff and engineers at Shenzhen King Explorer Science and Technology.

OXIDANTES EMULSIFICANTES

Nitrato de amonio Emulsificantes no iónicos

Nitrato de sodio Emulsificantes iónicos

Nitrato de potasio Coemulsificantes polímeros sensibilizantes

Nitrato de calcio Microesferas

Perclorato de amonio Perlita

Perclorato de sodio Agente espumante químico

Agua-combustible Sensibilizante químico

Cera Catalizadores de composición

TABLA 5.3COMPOSICION DE LAS EMULSIONES EXPLOSIVAS

EMULSION MATRIZ

SE SENSIBILIZA

Microballons. Burbujas de vidrio. Microesferas de cerámicas. Resinas fenólicas

Química.Gasificación generalmente con nitrógeno

EMULSION GASIFICADA

VENTAJAS* Seguridad en la fabricaciónLas emulsiones explosivas de ORICA no contienen componentes explosivos. Debido al retardo de la reacción de la gasificación química, el producto final sólo se convierte en explosivo después de haber sido bombeado al taladro. Por consiguiente, no existe riesgo para el personal involucrado en esta operación como, por el contrario, ocurre en el caso de fabricación de las emulsiones a granel en fábricas. En el caso de producirse cualquier incidente en el proceso de fabricación en plantas de emulsiones encartuchadas o a granel, se verían involucradas grandes cantidades de productos explosivos, mientras que con el sistema a granel de ORICA, el producto permanece en la forma de componentes no-explosivos, hasta su bombeo final a los taladros.

* Seguridad en el transporteCon los explosivos encartuchados es preciso almacenar, manipular y transportar todos los días grandes cantidades de productos explosivos para poder atender las necesidades de las industrias extractivas y de la construcción. De la misma forma, las emulsiones explosivas a granel hechas en fábrica, requieren el transporte de grandes cantidades de productos explosivos por las carreteras públicas, lo que supone un elevado riesgo en caso de accidente. Con la tecnología de la emulsión a granel de ORICA, no se requiere el transporte de otros explosivos por las vías públicas mas que las pequeñas cantidades de detonadores y cebos necesarios para la iniciación de la voladura. Por consiguiente el riesgo del personal de transporte y del público en general queda sustancialmente reducido.

* Seguridad en el usoAunque las emulsiones explosivas son muchísimo más insensibles a la fricción e impacto que los explosivos sensibilizados con nitroglicerina, no se puede olvidar que una vez sensibilizadas con la adición de micro esferas de vidrio, se convierten en explosivos capaces de detonar bajo un estímulo adecuado. Por consiguiente, en el caso de utilizar emulsiones explosivas a granel preparadas en fábricas, se están manipulando productos explosivos durante la carga de los taladros, lo que no deja de ser una operación con riesgo. Sin embargo, con la tecnología desarrollada por ORICA para las emulsiones a granel, no existe ninguna manipulación de explosivos y como el producto no se convierte en explosivo hasta después de haber sido cargado al taladro, el riesgo de cualquier incidente es prácticamente nulo.

En el caso de que se produzcan tiros cortados, normalmente se eliminan perforando nuevos taladros en sus proximidades. Cuando los taladros están cargados con explosivos sensibilizados con nitroglicerina, ésta es una operación peligrosa ya que existe la posibilidad de que los barrenos alcancen accidentalmente algún cartucho de explosivo durante la perforación, en cuyo caso el riesgo de iniciación prematura del explosivo es muy elevado. Sin embargo, al ser las emulsiones mucho menos sensibles a la fricción y al impacto que las dinamitas, este riesgo queda reducido (por lo menos por un factor de 10). Esta ventaja se extiende también a las emulsiones sensibilizadas con micro esferas de vidrio, producidas en fábricas, pero las emulsiones sensibilizadas con gasificación química tienen la ventaja adicional de que se insensibilizan en un tiempo relativamente corto convirtiéndose en productos inertes, que no pueden hacer explosión.

PERFORACION

CARGUIO CON EMULSION

SISTEMA DE INICIACION

DESQUINCHE

MINERIA SUBTERRANEA

CARGUIO DE TALADROS CON EMULSION EN UNA MINA A TAJO ABIERTO

4.6 AN/FO PESADO

INTRODUCCCIONSe ha mencionado que los productos secos como el AN/FO sufren de una pobre resistencia al agua y bajas potencias por volumen. Una de las maneras de para incrementar las potencias por volumen de los productos es mezclándolo con varias cantidades de emulsión. Si grandes cantidades de emulsión son usados el producto puede llegar a ser resistente al agua. Es habitual llamar a la mezcla de prills de ANFO con la emulsión “ANFO pesado”.

4.5.2 COMPOSICIONLos productos de ANFO pesado consisten de una mezcla de emulsión agente de voladura con prills de ANFO o nitrato de amonio. El porcentaje de cada ingrediente varía de acuerdo al resultado deseado. Para condiciones húmedas una cantidad mínima de 50% es recomendable. Para aplicaciones secas el porcentaje de emulsión depende de los requerimientos de la potencia por volumen y de los costos de la operación.

Una variedad de grados de nitrato de amonio pueden ser usados. La emulsión debería tener una consistencia de un fluido de modo que puede ser mezclado con los prills de ANFO fácilmente. Los ingredientes principales de la emulsión son el nitrato de amonio, nitrato de sodio, agua, petróleo y un emulsificador. Algunas veces nitrato de sodio es usado reemplazando una parte del nitrato de amonio y/o nitrato de sodio.

El nitrato de calcio requiere una gran cantidad de petróleo que el nitrato de amonio para la reacción balanceada en oxígeno. Esta reacción es:

3Ca(NO3)2 + 5CH2 → 3CaCO3 + 2CO2 + 3N2 + 5H2O

Para el balance de oxígeno se tiene que usar 12,5% por peso de petróleo. Las emulsiones que contienen nitrato de calcio son más resistentes al agua debido a que ellos contienen más petróleo. Además los productos llegan a ser más fluidos lo cual es deseable para el mezclado con el ANFO.

La tabla siguiente muestra la composición química de una emulsión típica de nitrato de calcio y la composición de varios productos de ANFO pesado resistentes al agua.

INGREDIENTE PESO %

Nitrato de amonio 38,4

Nitrato de calcio 35,8

Agua 13,0

Petróleo 10,8

Emulsificador 2,0

TABLA 4.4EMULSION TIPICA EN EL ANFO PESADO

INGREDIENTE PESO %

Nitrato de amonio 59,1

Nitrato de calcio 19,7

Agua 7,2

Petróleo 5,9

Emulsificador 1,1

Aluminio 7,0

TABLA 4.5TIPICO ANFO PESADO RESISTENTE AL AGUA

Se ha encontrado que las composiciones de ANFO pesado que contienen grandes cantidades de emulsión, la emulsión debe ser sensibilizado con esferas de vidrio o burbujas de aire. La Tabla siguiente da los resultados de una serie de ensayos realizados en Queen´s. El diámetro de las cargas fue 25,4 cm y todos los ensayos fueron confinados en acero 40.

ANFO%

Emulsión % Densidad, g/cm3

VOD experimental,

m/s

VOD teórico,

m/s

100 0 0,83 5000 5100

80 20 1,01 ' 4630 5470

70 30 1,10 4330 5700

60 40 1,23 4400 6300

50 50 1,30 4300 6460

TABLA 4.6

Con 1,6% de microesferas

ANFO%

Emulsión % Densidad,g/cm3

VOD experimental,

m/s

VOD teórico,

m/s

80 20 1,0 5370 5370

70 30 1,1 5640 5700

60 40 1,2 6340 6220

55 45 1,2 5700 6280

50 50 1,25 5670 6340

TABLA 4.7

La Tabla 4.6 es para resultados de VOD para ANFO pesado con emulsión sin sensibilizar añadido al ANFO. La Tabla 4.7 muestra el efecto de la adición de esferas de vidrio a la emulsión. En el caso de las emulsiones no sensibilizadas la velocidad de detonación se encontró de ser mucho menor que aquellos que fueron calculados teóricamente. Sin embargo la situación fue mejorada grandemente cuando la sensibilización fue usada. El resultado para una densidad de 1,2 en el caso de la emulsión sensibilizada es sin embargo superado, a medida que la VOD experimental no puede ser mayor que la teórica. Mientras tanto nosotros creemos que en la medición experimental de la VOD, una pequeña variación en la densidad en la carga más grande podría haber influenciado el resultado.

En cualquier caso los resultados demuestran claramente que la sensibilización de la emulsión es esencial si el producto resultante es para rendir bien en las concentraciones de emulsión mayores que 25%. La figura 1 es un ploteo de la velocidad de detonación máxima versus la densidad del ANFO a los cuales varios porcentajes de emulsión sin sensibilización han sido añadidos. Esta figura indica que el máximo porcentaje de emulsión insensible el cual puede ser usado es aproximadamente 25%. Más allá de sto, la descomposición no es completada dentro del frente de detonación. Es obvio por la presión de detonación es proporcional al cuadrado de la velocidad de detonación, las presiones de detonación serán mucho menores en el caso de las emulsiones insensibilizadas.

La sensibilización de la emulsión pueden ser realizada usando micro esferas o burbujas de aire los cuales son incluidos en la masa mezclando o mediante agentes químicos. Debería notarse que en el caso de la sensibilización con burbujas de aire, el producto será suceptible a la desensibilización por frentes hidrostáticos debido a los cambios a la densidad.

Figura 4.6. VOD como una función de la densidad para compuestos de ANFO pesado.

PERFORMANCE

Las composiciones de ANFO pesado tienen una potencia por volumen grande debido a su densidad. Además si un performance superior es requerido, aluminio puede ser añadido al producto. La tabla siguiente muestra el performance de las composiciones de ANFO pesado resistente al agua calculados por el programa TIGER usando la ecuación de estado JCZ3. La composición usada es aquella de la Tabla anterior. La potencia relativa por volumen es reportado también para comparar estas formulaciones respecto al ANFO.

Composición Peso %

Emulsión 55 55 55 55

AN 38 40 43 45

Al 7 5 2 0

Densidad, g/cm3

1,40 1,40 1,40 1,40

VOD, m/s 6920 6907 6880 6860

RBS 1,65 1,57 1,45 1,37

TABLA 4.8PROPIEDADES TEORICAS DE LAS COMPOSICIONES

DE ANFO PESADO RESISTENTE AL AGUA

De la misma manera la Tabla 4,9 es compilado de forma que muestra el efecto del contenido de emulsión a la liberación de energía de las composiciones de ANFO pesado propuesto para taladros secos. Es valioso mencionar que la manera usual de incrementar la potencia por volumen del ANFO es usando aluminio.

La Tabla 4.10 muestra el efecto del contenido de aluminio a la liberación de energía de la composición (reportado como potencia por volumen). Es obvio de lo anterior que el uso de emulsión o aluminio en el ANFO resulta en un incremento de la potencia por volumen. Los costos de la operación decidirán que método es preferible.

Composición Peso

Emulsión 15 20 25 30

AN 85 80 75 70

Densidad, g/cm3 0,98 1,03 1,09 1,16

VOD, m/s 5300 5440 5620 5860

RBS 1,11 1,14 1,20 1,24

TABLA 4.9Propiedades teóricas de la resistencia al agua

de las composiciones de ANFO pesado

Explosivo Densidad, g/cm3

RWS RBS

ANFO 0,83 1,0 1,0

5% Al/ANFO 0,87 1,13 1,18

7% Al/ANFO 0,88 1,18 1,25

10% Al/ANFO 0,91 1,24 1,36

ANFO+20% Emulsión 0,98 0,96 1,13

ANFO+30% Emulsión 1,10 0,92 1,22

ANFO+40% Emulsión 1,20 0,91 1,32

TABLA 4.10Potencias de los explosivos Al/ANFO y

ANFO pesado

Actualmente productos de ANFO pesado sensible al fulminante son disponibles para aplicaciones de pequeños diámetros. El ANFO pesado es por lo tanto un sistema explosivo muy versátil. Usando varias combinaciones de ANFO y emulsión, resistencia al agua, potencia por volumen, grado de performance no ideal pueden ser alterados para satisfacer una gran número de aplicaciones en voladura.

CARGUIOEl carguío de los productos en taladros vacíos puede ser realizado usando un sistema de carguío con cargador y vaciando el producto dentro del taladro. En taladros húmedos esto no es recomendable.

El carguío en taladros húmedos es bombeando el producto. Sin embargo para hacer esto, la cantidad de sólidos debe ser reducida a aproximadamente 30% en el sistema. Esto significa que la emulsión tendrá que ser sensibilizada mediante vacíos para obtener un performance adecuado.

Carguío de taladros con ANFO pesado en COMARSA