teoria avanzada explosivos

Explosivos GENERALIDADES Y DEFINICIONES. Características físicas de los explosivos. Explosivo: composición o mezcla de dos sustancias, una e xplosiva y otra no-explosiva. Son dos sustancias, una oxidante, y otra reductora. Cuando un cartucho explota los gases son aproximadamen te 10.000 veces el volumen inicial del cartucho. Para que haga el mejor efecto procuraremos que esté el cartucho lo más encerrado posible. Para hacer una voladura barrenaremos el terreno, a contin uación llenamos el barreno con explosivo, y el espacio que que de del barreno sin rellenar se retaca, es decir, tapar el agujer o lo mejor posible, lo que permitirá una voladura mucho más e fectiva. En caso de no realizar este retacado, la voladura “peg ará bocazo”, es decir, los gases producidos en la reacción se escaparán por la parte superior del agujero abierto, con lo cua l perderemos mucha efectividad en la voladura. Gases

Retacado Sin retacar

Características generales de los explosivos. Las características básicas de un explosivo y que nos van a ayudar a elegir el explosivo más idóneo para un fin determi nado son las siguientes: 1.- Estabilidad química. 2.- Sensibilidad. 3.- Velocidad de detonación. 4.- Potencia explosiva. 5.- densidad de encartuchado. 6.- Resistencia al agua. 7.- Humos. 1.- Estabilidad química. Es la aptitud que el explosivo posee para mantenerse quí micamente inalterado durante un cierto periodo de tiempo. Esta estabilidad con la que el explosivo parte de fábrica se mantendrá sin alteraciones mientras las condiciones de alma cenamiento sean adecuadas. Esto permitiría al usuario tener un

producto totalmente seguro y fiable para los trabajos de vola dura. Las pérdidas de estabilidad en los explosivos se produce n bien por un almacenamiento excesivamente prolongado o bie n porque las condiciones del lugar no sean las adecuadas. Si los explosivos son polvurolentos con nitrato amónico se estropearán perdiendo dinero pero no tendremos accidentes. Los explosivos con nitroglicerina si pierden su estabilidad química puede significar que la nitroglicerina se ha descompue sto. El cartucho suda o se observan manchas verdes en la envo ltura. En este caso el peligro es inminente y es imprescindible l a destrucción de este explosivo. 2.- Sensibilidad. Se define la sensibilidad de un explosivo como la mayor o menor facilidad que tiene un explosivo para ser detonado. Se dice por lo tanto que un explosivo es muy sensible cuando det ona sin dificultades al detonador y a la onda explosiva que se produzca en sus cercanías. Un explosivo insensible es todo lo c ontrario. Los explosivos sensibles aseguran pocos fallos en los barr enos. Los insensibles por lo contrario provocarán más barrenos

fallidos. En este sentido son mejores los explosivos sensibles. Ahora bien, están más cercanos a producirse una explosión for tuita que los explosivos insensibles en los que la probabilidad de accidente es prácticamente nula. En este sentido los insensi bles son más seguros que los sensibles. Existe otro concepto de sensibilidad debido a experiment os realizados en los laboratorios, donde se realizan la sensibilid ad al detonador, sensibilidad a la onda explosiva, sensibilidad al choque y sensibilidad al rozamiento. De estas las dos primeras son deseadas, mientras que las dos últimas son sensibilidades indeseadas.

• Sensibilidad al detonador. Todos los explosivos industria les precisan para su iniciación como norma general de l a detonación de otro explosivo de mayor potencia. Est e explosivo puede ir colocado dentro de un detonador , de un cordón detonante o de un multiplicador, según el procedimiento que sigamos para la iniciación de la explosión. Si algún explosivo no fuera sensible al deton ador, entonces los multiplicadores salvarían esta pega, aunque el 99% de los explosivos que actualmente se f abrican son sensibles al detonador.

• Sensibilidad a la onda explosiva. Se basa en determinar la máxima distancia a que un cartucho cebado trasmit e la detonación a otro cartucho receptor. Colocamos ca rtuchos en línea y ambos a continuación del otro, sepa rados una determinada distancia d. Pero lo que sucede en realidad es que al cargar los barrenos entre cartuc ho y cartucho pueden haber materias inertes que siem pre dificultan la propagación y a veces llegan a anularl a. Por esta razón la norma indica que “ la carga cuando se trate de explosivos encartuchados estará constituid a por una fila de cartuchos en perfecto contacto unos con otros.” Cartucho cebado: Cartucho con detonador. (Es el car tucho madre). d d´

• Sensibilidad al choque. Los diferentes tipos de explosiv os industriales pueden ser o no sensibles al choque, lo cual no quiere decir otra cosa que en algunos explosi vos se puede producir su iniciación por un fuerte impa cto. La forma de determinar la sensibilidad al choque s e hace mediante una maza que se coloca a una determ inada altura con una masa definida, se mide la altura ha sta que el explosivo explota.

• Sensibilidad al roce. Al igual que con la sensibilidad al choque existen algunos explosivos que son sensibles al rozamiento. Es por esto que existe un ensayo normali zado que nos indica si un explosivo es sensible o no al rozamiento, y en caso de serlo en que grado lo es. E ste ensayo se realiza con una máquina provista de un objeto cuyo coeficiente de rozamiento conocemos. La sensibilidad se conoce pasándolo por la longitud de to do el explosivo cada vez con mayor intensidad hasta que el explosivo explote. 3.- Velocidad de detonación.

V

A B

C Mecha patrón v

D E Placa de plomo

La velocidad de detonación es la característica más impor tante del explosivo. Cuanto más grande sea la velocidad de de tonación del explosivo, tanto mayor es su potencia. Se entiende por detonación de un explosivo a la transfor mación casi instantánea de la materia sólida que lo compone e n gases. Esta transformación se hace a elevadísimas temperatu ras con un gran desprendimiento de gases, casi 10.000 veces su volumen. Sea un cartucho de un determinado explosivo M del cual queremos hallar su velocidad de detonación V. Si le introducim os un detonador en el interior y a su vez le practicamos dos o rificios B y C de los que salen una mecha patrón cuya velocida d de detonación es conocida, v, y colocamos una placa de plo mo, como indica la figura, tendremos lo siguiente.

Al explotar el detonador explota todo el cartucho, pero l o hace antes en B que en C, ¿por qué?. Porque está más cerc a del detonador. Por lo tanto las ondas no se encuentran en el punto medi o D, sino en otro punto E (visible en la placa por ser de plomo la placa). El tiempo empleado en seguir un camino o el otro es el mismo, por lo tanto se cumple (1), y operando llegamos a (2) que nos determina la velocidad de detonación V de un explosi vo. Para algunos trabajos interesan explosivos lentos, de poca potencia. (En canteras de roca ornamental). Si queremos gran des producciones (sobre todo estéril), usaremos explosivos de baja velocidad de detonación, de poca potencia. 4.- Potencia explosiva. La potencia puede definirse como la capacidad de un exp losivo para fragmentar y proyectar la roca. Depende por un lado de la composición del explosivo, pe se a que siempre es posible mejorar la potencia con una adec uada técnica de voladura.

Para la medida de la potencia de un explosivo existen en el laboratorio diferentes técnicas de las cuales es la más empl eada la del péndulo balístico. Por este procedimiento se mide l a potencia de un explosivo en porcentaje en relación con la go ma pura, a la que se le asigna por convenio la potencia del 10 0 %. 5.- Densidad de encartuchado. La densidad de encartuchado es también una característic a importante de los explosivos, que depende en gran parte d e la granulometría de los componentes sólidos, y tipo de mate rias primas empleadas en su fabricación. El usuario en este cas o nada tiene que hacer. Al ser fundamental que los fondos de los barrenos estén completamente llenos de explosivos, si estos tuvieran densidad menor de uno y los barrenos tuvieran agua física, los cartucho s flotarían siendo imposible la carga del barreno. Utilizar en est e caso explosivos de densidad inferior a uno sería un gravísim o error.

6.- Resistencia al agua. Se pueden diferenciar tres conceptos: 1.- Resistencia al contacto con el agua. 2.- Resistencia a la humedad. 3.- Resistencia al agua bajo presión de la misma. Se entiende por resistencia al agua o resistencia al contac to con el agua a aquella característica por la cual un explosivo sin necesidad de envuelta especial mantiene sus propiedades de uso inalterables un tiempo mayor o menor, lo cual permite que sea utilizado en barrenos con agua. Si un terreno contiene agua emplearemos gomas, riogeles, etc. , cuyo comportamiento al agua es excelente. Nunca se deben emplear explosivos polvurolentos (Anfos) en contacto directo con el agua. Ahora bien, si el agua la agotamos con la carga d e fondo, podremos emplear en la carga de columna explosivos polvurolentos. En cualquier caso los explosivos polvurolentos s e comportan muy bien en barrenos sumamente húmedos si el contacto con el agua no es mucho. Es aconsejable en estos cas os hacer la mitad de barrenos para cargarlos rápidamente y ef ectuar la pega.

Retacado Carga columna (Nagolita) Carga de fondo (Goma 2)

En referencia al tercer punto, nos referimos no solo a qu e el explosivo soporte el contacto con el agua, sino que adem ás aguante altas presiones debidas a las grandes profundidade s. Los explosivos utilizados en este caso contienen como aditiv os metales pesados, que les confieren características muy esp eciales, como es el caso de la goma GV submarina. 7.- Humos. Se designa como humos al conjunto de los productos resu ltantes de una explosión, entre los que se encuentran gases, v apor de agua, polvo en suspensión , etc. Estos humos contiene n gases nocivos como el óxido de carbono, vapores nitrosos, e tc., y si bien su presencia no tiene importancia en voladuras a cielo abierto, si la tiene en voladuras en minas subterráneas y sobre todo si se realizan en lugares con poca ventilación. En es te caso pueden ocasionar molestias e intoxicaciones muy grave s a las personas que vayan a inspeccionar la voladura.

Para los trabajos subterráneos la composición del explosiv o debe tener una proporción suficiente de O2 capaz de asegu rar la combustión completa. Sensibilidad y diámetro crítico. Sensibilidad: Puede definirse como la facilidad relativa del mismo para detonar. Esto presenta una paradoja para los técnicos en explosivo s, pues por un lado una elevada sensibilidad supone una clara v entaja de cara al funcionamiento del explosivo, pero a su vez puede suponer una gran desventaja en cuanto al riesgo de det onar bajo cualquier estímulo accidental. Así pues, vemos que e xisten dos conceptos distintos dentro del término genérico de sensibilidad; el primero relacionado con la mayor o menor faci lidad para que un explosivo detone cuando se desea, que den ominaremos sensibilidad deseada, mientras que el segundo se refiere a la mayor o menor propensión a que un explosivo det one bajo cualquier estímulo accidental, que denominaremos se nsibilidad indeseada.

Este último concepto, inédito hasta ahora en ala tecnologí a de los explosivos, puede cuantificarse en algunos casos como el mínimo estímulo accidental necesario para que se produzca una explosión. En otras palabras, podemos afirmar que una alt a sensibilidad indeseada trae consigo una elevada susceptibilida d a la detonación accidental, mientras que una baja sensibilida d indeseada equivale a una baja propensión a la iniciación fortu ita, bajo el estímulo de cualquier fuente de energía distinta de la normalmente empleada. Siempre existe un solapamiento entre ambas sensibilidade s, por lo que en general una alta sensibilidad deseada implica u na elevada sensibilidad indeseada y viceversa. Esta tendencia está muy acentuada en los explosivos con vencionales, en los que se parte de un producto altamente sen sible a todo tipo de estímulos, al que se le insensibiliza con un a serie de productos.

Entre los explosivos más comúnmente empleados, las dina mitas son los de mayor sensibilidad, por llevar en su composici ón nitroglicerina. Todas ellas se inician fácilmente con detonado res ordinarios y desde luego con cordón detonante de 12 gr / ml. Los hidrogeles son mucho más insensibles, no lleva n nitroglicerina y requieren unos iniciadores más potentes, aun que también todos detonan con detonadores ordinarios y cord ones detonantes de 12 gramos para arriba. Estos explosivos e vitan todo riego de explosión debido a roces violentos o gran des presiones, como por ejemplo ser pisados por las orugas d e un tractor o una excavadora. Diámetro crítico: Cualquier explosivo en forma cilíndrica ti ene un diámetro por debajo del cual no se propaga la velocida d de detonación. Para explosivos nitrados, como el NO3 NH4, puede alcanz ar valores hasta de 10 pulgadas, pudiendo ser insignificante ta nto para la pentrita como para el nitruro de plomo, que son lo s que se utilizan en los cordones detonantes y detonadores. Es necesario decir que en el diámetro crítico influye la d ensidad y el confinamiento de los explosivos en los barrenos.

TEMA 2. COMBUSTIÓN COMPLETA EN LAS REACCIONES E XPLOSIVAS. Combustión completa en las reacciones explosivas. NOTA. Cae siempre en examen, sobre todo los ejercicios. No es fácil estudiar detalladamente la influencia del oxíge no en las características del explosivo; sin embargo es necesar io procurar que si se van a utilizar en minería subterránea no s e forme el temido CO (monóxido de carbono), porque este ga s se fija en la sangre dando lugar a un compuesto llamado Car boxihemoglobina, que paraliza las funciones vitales sin que la a gonía se advierta. Además este gas no es fácilmente detectab le ya que es incoloro, inodoro e insípido. Para lograr este objetivo, el oxígeno debe de estar en la proporción necesaria para que la combustión sea completa, d ando así lugar a que todos los átomos de carbono se oxiden c ompletamente dando CO2. Todos los átomos de hidrógeno qu e se formen deben dar lugar a moléculas de H2O, pudiendo estar también presentes moléculas de nitrógeno, así como moléculas de oxígeno O2.

Una vez vistas las propiedades generales de los explosivo s, ha llegado el momento de ver las distintas clases de explosi vos que nos ofrece el mercado, para elegir el adecuado en ca da aplicación. Dividiremos los explosivos comerciales en dos gr andes grupos.

• Explosivos con nitroglicerina. • Explosivos sin nitroglicerina. • Explosivos con nitroglicerina. Son sin duda los más pote ntes de los dos. Esta cualidad no es siempre la mejor, ya que en ocasiones se prefieren explosivos menos po tentes, con el fin de conseguir una granulometría gran de. Son explosivos más delicados, necesitan mejores c ondiciones de almacenamiento.

• Explosivos sin nitroglicerina. Son más seguros, algo más inestables y también de una potencia apreciable, aun que menor.

Dinamitas. Se entiende como tales aquellas mezclas sensibles al deto nador entre cuyos ingredientes figura la nitroglicerina. Su núm ero y clase es extremadamente variado según países y marcas , variando también sus componentes adicionales, siendo los pri ncipales componentes los siguientes:

• Explosivo base: nitroglicerina. • Explosivos complementarios: trilita, nitrobenceno, etc. • Aditivos generadores de oxígeno: nitrato amónico, nitr ato sódico, nitrato potásico, así como cloratos y perclo ratos.

• Sustancias que aumentan la potencia: aluminio, silicio y magnesio. Clases de dinamitas. 1.- GOMAS. Están constituidas fundamentalmente por nitroglicerina y nitrocelulosa, pudiendo llevar en su composición los elementos anteriormente dichos. Sus principales ventajas son su consistencia plástica, una g ran densidad, magnífico comportamiento al agua y una gran po tencia, siendo la goma pura el más potente de los explosivos c omerciales.

Estos explosivos han sido sustituidos por las denominadas gomas especiales debido precisamente a su elevada sensibilida d unida a su alto precio. 2.- GOMAS ESPECIALES. Incorporan como agente oxidante el nitrato amónico, que no siendo un explosivo base, contribuye a la energía de la exp losión, al mismo tiempo que actúa como oxidante, para obtene r un balance de oxígeno adecuado. Esto permite obtener un e xplosivo de potencia algo menor que las anteriores gomas, con menores proporciones en nitroglicerina. Ya no son tan excesivamente sensibles y además nos ofr ecen un menor costo por unidad de potencia. Conservan su pla sticidad, tienen un comportamiento algo peor al agua, pero ex celente de todas maneras, pero son los más adecuados para la mayoría de los trabajos que se presentan en la práctica, pudi éndose utilizar en barrenos llenos de agua. Su aplicación fundamentalmente es como carga de fondo de barrenos de mediano y gran diámetro, y para la voladura d e rocas de consistencia de dura a muy dura, utilizándose como carga de columna nagolita.

Para diámetros por debajo de dos pulgadas suele utilizars e como carga única del barreno porque al ser 2 pulgadas el di ámetro crítico de las nagolitas, su utilización es imposible. Agente explosivo de baja densidad: anfo, nafo, nagolitas. Se conocen con el nombre de explosivos polvurolentos, si endo conocidos en España como nagolitas. Empezaron a emple arse en al década de los setenta, llegando su consumo a ser el 75% de los explosivos utilizados en le mundo. Es un explosivo con unas características individuales muy malas, (hidroscópico, poco potente, mala conservación, ....), sin embargo su precio l o hace el más utilizado hoy en día en minas a cielo abierto. Se trate de principalmente de una mezcla de nitrato amó nico más fuel – oil. Características más importantes de los anfos. Se descubrió sobre el 1950 después de una desastrosa e xplosión que tuvo lugar en una fábrica de nitrato amónico en E E.UU. Aparte de otras consecuencias, este hecho centró la aten ción de los fabricantes en el potencial demostrado por el nitra to amónico, y a partir de los años 60 se empezó a utilizar con éxito el nitrato amónico sensibilizado con fuel-oil.

Así surgieron los anfos, que por su potencia relativament e elevada, facilidad de manipulación y sobre todo por su bajo precio, ganó con rapidez la supremacía en la mayoría de las ca nteras y minas a cielo abierto existentes. Características intrínsecas y extrínsecas. Se llaman intrínsecas aquellas en las que el operario no p uede actuar. Las más importantes son: 1. Tamaño y tipo de grano. 2. Contenido en fuel-oil. 3. Contenido de agua. 4. Sensibilidad. Factores externos son aquellos en los que el usuario tiene mucho en que actuar. 1. Densidad de la carga. 2. Diámetro del barreno. 3. Iniciadores. Características Intrínsecas. TAMAÑO Y TIPO DE GRANO. Tienen forma de granos, parecidos a los granos de arroz, son porosos, rellenos de aire, ya que así tienen una mayor vel ocidad de liberación de la energía. La porosidad óptima parec e estar próxima a 0´07 cm³ /gr

CONTENIDO EN FUEL- OIL. V (m/s)

Equilibrio en oxígeno

4000

3500

3000

2500

% Fuel - Oil 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

(1)

(2)

La influencia del fuel-oil incorporado a la mezcla de nitrat o amónico, en proporciones variables viene reflejada en la figu ra. La máxima velocidad de detonación se alcanza para un cont enido en fuel-oil de 5´5 %; igualmente para esta proporción s e alcanza el equilibrio en oxígeno. En la zona (1), al disminuir el porcentaje en fuel-oil, signifi ca que aumenta el porcentaje en nitrato, y como este es un d ador de oxígeno, la zona (1) presenta un claro exceso en oxíg eno. En esta zona se ve que la velocidad de detonación dismin uye muy rápidamente, a la vez que el descenso en porcentaje en fuel-oil.

En la zona (2), donde ya la proporción en nitrato amónico es más pequeña, hay un defecto de oxígeno, y si bien la velo cidad de detonación también disminuye, lo hace de forma más suave que en la zona (1). CONTENIDO DE AGUA. V 3500

3000

2500

2000

% en H2O 2

4

6

8

10

En la figura se muestra la influencia del agua sobre la velo cidad de detonación de las nagolitas. Es de sobra conocida la propiedad del nitrato amónico de ser muy hidroscópico (absor be la humedad). Con porcentajes de contenidos en agua inferi ores al 9% la velocidad va disminuyendo, pero conservando si empre velocidades mayores a los 2000 m. Con humedades sup eriores al 9% no se deben utilizar nagolitas a granel; En este c aso habría que encargar nagolitas envueltas en plástico para re trasar dicha absorción de agua. SENSIBILIDAD. Se entiende por sensibilidad la mayor o menor facilidad q ue tiene un explosivo para ser detonado. Los anfos son unos explosivos de detonación “ no ideal ”, es decir, son muy insensibles, cualidad esta que es útil para e vitar accidentes, pero puede provocar el fallo en el barreno. En la mayoría de los casos se usan como carga de column a, siendo la carga de fondo las gomas, encargándose estas de la correcta explosión de toda la carga.

En ocasiones la nagolita se puede utilizar sola en grandes diámetros de sondeo, mayores siempre de 7 pulgadas. En est e caso conviene aumentar l sensibilidad, consiguiéndose esto c on el aumento de la densidad en el interior del barreno, prens ando la nagolita con la tacadera, con cuidado en pasarnos, ya que la nagolita podría sufrir fallos, debiendo procurar que la d ensidad no sobrepase del 0´95 – 0´96 %. Factores externos. DENSIDAD DE CARGA. 5” 3500

4”

3000

3”

2500

2000 0´8

0´85

0´9

0´95

1

gr / cm

³

La figura muestra la influencia de la densidad de carga so bre la velocidad de detonación. Se observa que el aumento de la velocidad de detonació n es casi lineal con el aumento de la densidad. En la figura se muestran tres diámetros de sondeo siendo casi paralelas las tr es curvas. La densidad de carga debe conseguirse en el proceso mi smo de su colocación en el barreno mediante técnicas que van desde el compactado hasta el llenado por cargadores especial es. De esta forma podríamos conseguir densidades incluso sup eriores a la unidad, pero en general la sensibilidad disminuye n otablemente con densidades superiores a 0´95.

DIÁMETRO DE CARGA.

4000

3500

3000 2800

3

4

5

6

7

8 Diámetro en pulgadas

El efecto del diámetro de la carga sobre la velocidad de detonación en los anfos se aprecia en la figura; en ella se pue de observar como crece la velocidad de detonación a medida que el diámetro de barreno aumenta hasta cierto límite, (9 – 8 pulgadas), a partir del cual la velocidad de detonación perm anece constante.

Este hecho ha llevado a la tendencia de utilizar calibres d e perforación cada vez mayores, porque de esta manera apro vechamos mejor las características de la nagolita, a la vez que se reducen los costos totales por metro cúbico de roca arran cada. Las nagolitas se pueden usar de carga única de barreno p ara diámetros de entre 10 a 12 pulgadas y en terrenos semid uros como máximo. Se sabe que un diámetro próximo a las dos pulgadas es el diámetro crítico más bajo para lograr una autopropagación s atisfactoria de los anfos, por lo tanto nunca se debe usar este explosivo con diámetros inferiores a las dos pulgadas. Lo más normal es utilizarla como carga de columna utilizando como car ga de fondo explosivos muy potentes: gomas y riogeles. En es te caso con diámetros de 3 pulgadas a mayores se pueden uti lizar para rocas de semiduras a duras.

INICIACIÓN DE LAS NAGOLITAS. Detonador

Retacado

Cordón detonante

Anfo

Cartucho goma 2

Goma 2

Cebado axial.

Al estudiar la iniciación de un explosivo hay que tratar de conseguir de él una velocidad de detonación lo más barata p osible para conseguir un mayor aprovechamiento de su potenci a.

El iniciador de un barreno cargado de anfo debe proporci onar una energía suficiente para provocar la detonación de tod as sus partículas, porque de no ser así puede provocar defrag ación o detonación parcial. Este fenómeno se puede observar por la emisión de humo naranja que es desprendido después de la explosión. Estos gases son óxidos nitrosos provocados po r: 1. Insuficiencia de cebado. 2. Presencia de agua en el barreno. 3. Mala mezcla de N.A. y F.O. Diversos estudios han demostrado que independientemen te de que se consiga la potencia mínima necesaria para iniciar el anfo, es imprescindible también utilizar una cantidad mínima de un explosivo muy potente. Todos los parámetros vistos (diámetro de barreno, dimen sión de los granos, homogeneidad de la mezcla, etc.) influyen en el valor de la velocidad de detonación alcanzada. Para diámetros de barreno inferiores a 6 pulgadas estas consideraciones tienen muy poco valor, puesto que será prácti camente imposible alcanzar velocidades de detonación superio res a los 3000 metros, por muy bien que las iniciemos.

Actualmente se siguen investigando diversas sustancias m etalizadas a base de aluminio, manganeso, etc., para aumentar sus características energéticas. De momento no se han obtenid o resultados concluyentes. Para barrenos de 12 pulgadas se han podido conseguir ha sta velocidades de detonación de hasta 4500, utilizando como método de iniciación la iniciación axial, que consiste en introdu cir por el eje del barreno cordón detonante con cartuchos de goma 2, hasta alcanzar 370 gramos de concentración de explo sivo por metro lineal. La iniciación conseguida es la mejor de la s posibles, puesto que logran transmitir a todos los granos de nagolita una perfecta iniciación. ¿Por qué es necesario acelerar el anfo a tan grandes vel ocidades de detonación?. La teoría de mecánica de rocas indica que el explosivo m ás adecuado para fracturar una determinada roca es aquel que tiene una velocidad de detonación igual o parecida a la veloci dad propia de transmisión de la roca.

La mayoría de estas rocas, entre las que se encuentran los gra nitos, dioritas, basaltos, cuarcitas, etc., tienen una velocidad de transmisión siempre superior a los 400 m/s. Si para su arranq ue utilizáramos nagolitas del orden de velocidad de detonación de 3000 m/s, se obtendría, a parte de una mala fragmentaci ón, un frente de trabajo totalmente irregular y por lo tanto m uy inseguro puesto que la nagolita no tiene la velocidad de de tonación suficiente que garantice una potencia desarrollada cap az de producir buenos efectos de fragmentación en rocas tan duras y compactas. Podemos pues concluir que el anfo puede ser un explosiv o, que con una iniciación eficaz, puede proporcionar una serie de ventajas en su utilización, que de otro forma le harían muy poco útil en aquellas rocas que por sus características necesite n mayor potencia. En España los anfos son conocidos con el nombre comerci al de nagolita, que es suministrada en sacos de 50 kg, o bajo petición, en cartuchos envueltos en plástico, siempre con calibr es, diámetros, superiores a 45mm. La aplicación más corriente de este explosivo es como ca rga total en rocas blandas y diámetros superiores a 7 pulgadas , y como carga de columna en rocas de semiduras a duras, util

izando en este caso como carga de fondo un explosivo potent e, como pueden ser las gomas o los hidrogeles.

TEMA 4. HIDROGELES (SLURRIES). Introducción. Podemos definir los hidrogeles como composiciones explo sivas formuladas en términos de un sistema de oxidación – red ucción. Están constituidas por una parte oxidante (nitratos inorgá nicos) y otra reductora, con suficiente cantidad de O2 como p ara reaccionar violentamente con el exceso de O2 del agente oxidante. La parte reductora puede estar constituida por cualq uier materia combustible. Pueden ser sustancias explosivas defi citarias en O2 como la trilita, algunas pólvoras, o bien sustancia s no explosivas como hidrocarburos y metales ligeros, como el aluminio y el magnesio. Estas mezclas así formadas presentan un excelente comp ortamiento en el agua, lo que constituye una de las propiedad es más notables de estos productos.

Principales aplicaciones.

Presión detonación

H

N

Tiempo

Los hidrogeles nacieron para paliar los defectos que pres entaban las nagolitas, pero sin embargo potencian al máximo el resto de sus cualidades. En consecuencia vamos a analizar las ventajas de los hidrogeles respecto de los anfos.

En los barrenos con agua no existe comparación posible, mientras que en los barrenos secos es donde es necesario eva luar todos los factores que influyen en el costo de toda la expl otación antes de dar una respuesta. En general, cuanto más se ca y menos dura sea la roca, menos ventajas presentan los hid rogeles respecto de los anfos. Un factor importante que le presenta una ventaja a los hi drogeles es que por tener mayor potencia, es necesaria una m enor perforación. En los anfos podemos obtener una velocidad máxima de detonación de entre 2000 y 2500 m/s, mientras q ue los hidrogeles alcanzan los 4000 m/s. El comportamiento de los explosivos en cuanto a presión de detonación está representado en la figura. El pico inicial de altísimas presiones generadas por los hidrogeles produce una compresión de la roca que rodea al barreno los suficientement e fuerte como para fracturar. Este fenómeno se extiende sola mente una distancia pequeña alrededor del barreno (2 x diám etro). Después la presión disminuye rápidamente de tal forma que este repentino descenso de la compresión permite a la ro ca expandirse, y al ser tan rápido el suceso, se sobrepasa el lí mite de resistencia a la tracción de la roca, originando su rotur a por tensión. Como la resistencia a la tracción es

aproximadamente un centésima parte de su resistencia a la co mpresión, el fenómeno va prolongándose hasta que se produz ca la rotura de la roca. Estos hechos tienen lugar antes de que se empiece a producir ningún movimiento en la roca. Posterior mente se produce el movimiento de la masa de roca, dando lu gar a una reducción del tamaño de los fragmentos por choque s y caídas de los fragmentos. En contraste, el anfo con una mayor generación de gas y una velocidad de detonación menor, produce una presión muc ho más baja y sin pico, pero que se mantiene durante más tie mpo que en los hidrogeles. En este caso la roca se rompe por este empuje mantenido, que fragmenta la roca aprovechando sus puntos más débiles, como pueden ser juntas o fracturas na turales. Debido a la escasa presión ejercida por le anfo, las dis tancias a las caras libres a las que se puedan romper formacio nes duras, son muy pequeñas, y este hecho es aún más pronu nciado cuando las partes a volar están cerradas; es decir, sin s uperficies libres que permitan su desplazamiento, como suced e en las partes bajas de los bancos y en las filas posteriores d e las voladuras.

Esta es la razón por la cual los hidrogeles se usan preferibleme nte como carga de fondo en aquellas formaciones en las que e l anfo solo puede arrancar las partes más altas del banco. Por otro lado los hidrogeles son capaces de fragmentar f ormaciones rocosas en las circunstancias más difíciles, cuando n o hay prácticamente salida, propiedad que los hace los apropia dos como carga de fondo para evitar repiés. Para poder efectuar una comparación objetiva entre los h idrogeles y las nagolitas es necesario considerar todos los fact ores determinantes del coste de una explotación: perforación, carga y transporte, gastos de quebrantación y costes de mant enimiento. Es evidente que la razón más importante de la gran utiliz ación de los anfos es la de ser la fuente de energía más barat a; no obstante conviene tener en cuenta que el uso de los anf os lleva asociado gran cantidad de costes ocultos, como un exc eso de perforación (sobreperforación), problemas ocasionales c on los repiés (menor rendimiento de las palas cargadoras), ma yores gastos de mantenimiento, etc. Estos gastos pasan desap ercibidos muy a menudo en el conjunto de los gastos operativ os. Sobre este particular es muy útil tener en cuenta que en muchas ocasiones un pequeño incremento en el coste del

explosivo queda ampliamente compensado en virtud a los cons iderables ahorros que ello produce en otras partidas del coste total de la explotación. Como consecuencia de todo lo dicho, podemos afirmar q ue en la mayoría de las ocasiones los hidrogeles compiten vent ajosamente con el anfo, siendo tanto mayor esta ventaja cuant o más dura y húmeda este la roca. Pero aún en los casos en q ue las diferencias no sean apreciables, la mejor solución resulta una combinación de ambos, utilizando los hidrogeles como car ga de fondo y los anfos como carga de columna. Como síntesis pueden resumirse como ventajas de los slu rries: 1. Por su gran insensibilidad son muy seguros, tanto en v oladura como en la manipulación y en el desescombro. 2. Permiten la carga a granel con un llenado de grado del 100 %, cualidad importantísima para que el explosivo realice todo el trabajo útil. 3. Su resistencia al agua es siempre excelente. 4. Poseen elevada velocidad de detonación, densidad y p otencia.

5. Permiten la mecanización del procedimiento de carga. El transporte se realiza con camiones cisterna, llenándo se los barrenos con una manguera con un diámetro inf erior al diámetro crítico del explosivo como medida de seguridad para que en caso de accidente, la explosió n no se propague al camión. Desventajas más importantes: 1. Precio más elevado. 2. Operaciones de carga menos sencillas que en el caso de los anfos. 3. Si existieran grietas en los barrenos, pueden hab er pérdidas de explosivo.

TEMA 5. ACCESORIOS DE VOLADURAS. RIEGOS EN SU MANIPU LACIÓN. APLICACIONES. Generalidades. A parte de la correcta elección de un explosivo, el éxito de una voladura está frecuentemente condicionada al buen us o de los elementos accesorios, que participan directamente en el proceso primario de la iniciación. Dentro de estos accesorio s en la técnica de voladura eléctrica, sin duda el más importan te es el detonador, tanto por los riesgos que pudiera entrañar su manipulación como , sobre todo, por la influencia sobre los resultados de la voladura y fragmentación del escombro.

Detonadores eléctricos. Descripción.

Tapón – cierre

Inflamador

Pasta retardadora Vaina metálica

Carga primaria

Carga secundaria

Está constituido por una cápsula metálica de cobre o alu minio, cerrada por un extremo y con un tapón en el lado opue sto, lo cual hace que el detonador sea estanco al agua. En su in terior lleva un explosivo base, uno primario, un inflamador y un a pasta de retardo. Cuando el detonador es de tiempo, tanto si es de retard o como de microrretardo, lleva incorporado entre el inflamado r y el explosivo un dispositivo denominado pasta de retardo, c uya longitud varía según el número de detonador; cuanto más alto sea el número, más largo es el detonador (0 no tendrá pa sta de retardo). El inflamador constituye el dispositivo eléctrico, y está fo rmado por dos electrodos cuyos extremos están unidos entre sí por un filamento metálico calibrado, que se pondrá rojo cua ndo sean atravesados por una intensidad de corriente suficient e. Los hilos de alimentación se enrollan en madejas según su longitud, de tal forma que se pueden extender sin que forme n nudos. Al atravesar una corriente actúa la píldora inflamadora pr ovocando la explosión del detonador, en el caso de que sea in stantánea, número 0, o bien el encendido de la pasta retardad ora cuando el detonador es de tiempo.

Clasificación de detonadores eléctricos. Se clasifican en función de los siguientes criterio: 1.- Por su retardo en la detonación. 1. Detonadores de retardo de medio segundo. 2. Detonadores de microrretardo de 20 a 30 miliseg undos. 3. Detonadores instantáneos. 2.- Por su sensibilidad eléctrica. 1. D. sensibles S. 2. D. insensibles I. 3. D. altamente insensibles A.I. 3.- Por su aplicación. 1. D. sísmicos. 2. D. antigrisú. 3. D. bajo presión de agua. Detonadores instantáneos. Son detonadores sin pasta de r etardo, reducidos al número cero. Se aplican a cielo abierto en la primera línea de tiro, al lado del frente libre, y en taqueos secundarios.

En estos detonadores al incidir la píldora sobre la carga p rimaria, la explosión coincide en el instante de apretar el botó n del explosor. D. de retardo de medio segundo. Estos hacen explosión c on una determinada secuencia a intermedios regulares de medi o segundo. Se diferencian de los instantáneos en que están provistos de una pasta, que interpuesta entre la píldora del inflamador y la cara primaria, produce el efecto de retardo. Con este tipo de detonadores se consigue, al existir un in tervalo de tiempo suficiente entre un número y el siguiente, q ue cada barreno produzca el arranque de la parte de roca cor respondiente, dejando al barreno consecutivo una superficie lib re. La roca empieza a agrietarse en las proximidades de un barreno tan pronto como se produce la explosión, completánd ose este agrietamiento en algunos milisegundos, pero siendo p royectada fuera de su lugar unos 100 milisegundos después d el disparo. Aunque este dato no es una constante absoluta, sin o que depende de la naturaleza de la roca, tipo de explosivo y sistema de carga; podemos calcular en pizarras y calizas qu e es un valor de 100 milisegundos.

En España se fabrican con una secuencia de encendido de 0´5 segundos, siendo este tiempo muy grande en voladuras a cielo abierto porque cuando se ha desprendido la roca, los ba rrenos de la fila de atrás no han salido, pudiendo existir robos de carga, con el gran peligro que esto entraña, primero porqu e pueden quedar barrenos con el explosivo al descubierto y n o salir, y segundo, de no existir robos de carga totales, la cara libre que quedase es tan pequeña que las proyecciones de la voladura son totalmente incontroladas, quedando un frente de trabajo totalmente irregular e inseguro, quedando estos deto nadores fuera de uso en minería a cielo abierto. Detonadores de microrretardo. V

1

1

1

2

2

2

3

3

3

Estos detonadores son de constitución análoga a los de r etardo con la diferencia de que la pasta de retardación tiene una velocidad de combustión mucho mayor. Estos detonadores, que en realidad deberían llamarse de milirretardo teniendo en cuanta el intervalo de tiempo entre dos detonadores distintos, (20 – 30 milisegundos), han constitu ido un gran avance en la técnica de arranque por explosivos y su empleo es indispensable en cielo abierto y explotaciones s ubterráneas. Sus principales ventajas son: 1. Mejor fragmentación para la misma carga explosiva, co n la consiguiente reducción de consumo de explosivos en el taqueo. 2. Menor riesgo de proyecciones al disminuir el peligro d e que unos barrenos sean descabezados por los anteri ores. 3. Mejor control en el nivel de vibraciones.

El mejor grado de fragmentación que se obtiene con estos de tonadores en comparación con los de retardo se explica de la forma siguiente: si en el momento en que hace explosión un b arreno, la roca que va a ser abatida por él se halla en tensión como consecuencia de la explosión de un barreno anterior, nú mero anterior, es evidente que el segundo barreno producirá el máximo efecto de rotura, ya que la roca está sometida al in flujo de tensiones que inician su agrietamiento disminuyendo s u resistencia . Para aprovechar al máximo este efecto es preci so que le transcurso del tiempo entre ambos detonadores est é comprendido entre ciertos límites, que dependen del tipo d e roca, estratificaciones, separación entre barrenos, esquema de encendido y procedimiento de cebado. Por una parte este tiempo no debe ser tan pequeño como para que los disparos r esulten instantáneos, sobre todo cuando pertenecen a dos filas diferentes, y por otro lado no debe ser tan grande como par a que hayan desaparecido ya las tensiones internas y se haya desprendido la roca de la primera fila de barrenos.

Con respecto al tiempo mínimo entre dos disparos consecutivo s, parece lógico que el segundo haga tiempo después de que en el primero se halla ultimado en proceso de agrietamiento. Aunque existen discrepancias a la hora de definir el tiempo de retardo más conveniente entre dos números consecutivos, pu ede decirse que este oscila entre 15 y 40 milisegundos. Como estos detonadores tienen un tiempo de retardo de 20 miliseg undos, están dentro de ese intervalo y por lo tanto cumplen con lo anteriormente dicho. Sensibilidad eléctrica. Respecto a la sensibilidad de los detonadores respecto a la corriente eléctrica, se observa una marcada tendencia mundi al hacia los detonadores más insensibles tipo I (insensibles) y A .I. (altamente insensibles), como consecuencia directa de la cre ciente preocupación que existe a todos los niveles por la segu ridad en el trabajo. No obstante, si las condiciones de la voladura son las ade cuadas, no hay tormentas eléctricas, no hay líneas de alto volt aje, todas las emisoras están paradas, etc., los detonadores se nsibles se pueden utilizar, ya que el tiempo que se emplea en tirar la línea hasta llegar al sitio donde se va a colocar el artill ero, es mucho mayor con detonadores A. I e I, ya que el peso

del carrete es infinitamente mayor, y la mina ha de estar par ada durante el tiempo de conexión de la pega, por lo que la d ecisión de utilizar el tipo de detonador queda a buen criterio del jefe de la mina.

Detonad or

Impulso de ence Intensidad de co Intensidad de co ndido

rriente mínima

rriente máxima

S

0´8 – 1

0´8

0´18

I

8 – 16

1´5

0´45

A.I.

1100 – 2500

25

4

Para significar la importancia de la sensibilidad eléctrica d e cada tipo de detonador, vamos a determinar la posibilidad d e detonación fortuita de un detonador de cada tipo por el que circulase una intensidad de 1 Amperio. Para ello calcularemos el tiempo necesario para que se alcance el impulso de encendi do según especificaciones de cada detonador. La experiencia nos refleja que para los detonadores I y A. I no se produciría una iniciación fortuita debido a que el tie mpo necesario para alcanzar el impulso de encendido es lo sufi cientemente grande como para que se produzcan pérdidas de

calor tanto por conducción como por radiación, no produciénd ose la inflamación de la cerilla del detonador. Riesgos de iniciación de detonadores eléctricos por electricida d estática. Los fenómenos electrostáticos descansan en procesos de contacto; por ello depende siempre de las superficies, las cual es, debido a que constantemente se encuentran en mutación, hace muy difícil que se puedan reproducir, y se comprende q ue sus efectos sean en la mayor parte de los casos inesperado s. De aquí que al abordar un estudio de esta naturaleza, y a p esar de que resulte seguro que no existe ninguna diferencia e sencial entre las leyes de la electricidad estática y las de la di námica, y de las condiciones especiales de las descargas electr ostáticas, requieren de un cambio de mentalidad mucho más i mportante de lo que parece a simple vista. Vamos a desarrollar algunas ideas fundamentales sobre el encendido involuntario de los detonadores eléctricos debido a estas corrientes: 1º Caso: Encendido de un detonador por descarga de un cuerpo cargado. Este caso se produce cuando uno de los terminales hace contacto con tierra (potencial nulo), y el otro toca un cuerpo

cargado (un operario cargado con electricidad estática), la ddp existente provoca que el filamento se ponga incandescente p rovocando su explosión. La manera de evitarlo sería mantener los finales de la ma deja unidos, consiguiendo que los dos terminales estén en al m ismo potencial, ddp

0.

De todas maneras esta medida pierde su efectividad en el momento de conectar la pega. Para evitar este riesgo habrí a que reducir la sensibilidad eléctrica del detonador, es decir, utilizar los de alta insensibilidad que requieren una energía de iniciación, como se ha visto, 1000 veces superior a los de los detonadores normales S.

Diferencia de potencial Tierra

2º Caso. Iniciación por descarga eléctrica. Por descarga entre el filamento y el casquillo. Hombre

Este caso se puede presentar cuando un operario cargad o electrostáticamente al desenrollar la madeja deja caer el det onador y este hace masa con tierra. Si mantiene en las manos un terminal, se produce el mismo caso anterior. La manera de evitarlo es mantener cortocircuitados los te rminales del detonador para que no haya ddp y no se produzc a el accidente. Pero ocurre todo lo anteriormente dicho, por lo que se recomienda utilizar los detonadores A. I.

3º Caso. Iniciación fortuita de los detonadores por proxim idad de líneas de transporte de energía. Para detonadores S.

Tensión k Distancia míni w

ma

70

20 m

130

30 m

220

40 m

400

60 m

Las líneas eléctricas pueden inducir en los detonadores c orrientes capaces de provocar la explosión de los mismos. Las distancias a las que pueden emplearse los detonadores eléctri cos dependen del voltaje de la línea y de la sensibilidad del d etonador. Para el caso de los detonadores sensibles, las distanc ias mínimas son las que se indican en la tabla.

4º Caso. Iniciación por acción galvánica. Se ha comprobado que en algunas minas metálicas en las zonas de contacto de dos minerales distintos, e incluso mineral con estéril, es posible que se produzcan efectos galvánicos, c apaces de provocar la explosión del detonador. Para evitar est o se tomarán las medidas antes explicadas. 5º Caso. Emisoras de radio. Las emisoras de radio hay que apagarlas para que no hay a coincidencia de frecuencias de distintos usuarios, ya que pue den provocar la detonación. 6º Caso. Tormenta con aparato eléctrico. Ante la duda de que pueda aparecer una tormenta eléct rica, no cargar los barrenos, y si están cargados no poner los detonadores y dejar la pega para otro día. Tendencias actuales sobre fabricación de detonadores. Si se pudiesen iniciar los detonadores sin utilizar la energí a eléctrica, desaparecían la mayor parte de los riesgos ya com entados; por este motivo los fabricantes están tratando de en contrar otros sistemas en los que no intervenga la energía elé ctrica.

En Suecia se ha desarrollado otro detonador, el detonado r nonel, cuyo objetivo es permitir el cebado de los barrenos si n utilizar líneas eléctricas. Son detonadores en los que la iniciac ión se produce a través de una pasta explosiva alojada en el i nterior de un tubo de plástico, con una velocidad de detonació n de unos 1800 m/s. Pueden adquirirse en la longitud del barr eno que se emplee en la voladura. La seguridad de manejo de estos detonadores es muy alta así como es muy sencilla su m anipulación, lo que hace que al margen de su elevado costo, c onstituye una notable ventaja. El desarrollo de este detonador, a parte de no estar plenamente desarrollado, puesto que se admiten fallos del 1 %, no pudiendo competir con el precio co n los detonadores eléctricos.

Pega eléctrica. Aparatos de iniciación y control de las voladura s. A

A´

B´

B

Tres son los posibles sistemas para el encendido de los d etonadores eléctricos: 1.- Por conexión a una red de energía eléctrica. No es aconsejable el uso de la corriente alterna para el di sparo de pegas eléctricas debido al carácter sinusoidal de la c orriente da la posibilidad de que la conexión se produzca en e l momento en que la onda de intensidad pase por un cero, pu

diendo dar lugar a fallos por diferencia de sensibilidades de lo s detonadores. Este sistema solamente es aconsejable en aquellos casos de voladuras de un tan elevado número de detonadores como para que la capacidad de los explosores convencionales result e insuficiente. En cualquier caso el voltaje de la línea deberá c alcularse con un 50 % de exceso sobre el teórico necesario p ara poder alcanzar la intensidad de tiro deseada. Caso de no d isponer en la red de la energía de voltaje deseado, será nece sario el uso de transformadores intermedios. Por otro lado, el empleo de unos voltajes muy elevados puede traer como consecuencia la perforación de las líneas de tiro que producirían fallos en la voladura. Por todo lo expuestos y porque se trata de un método c aro, si se observan todas las normas de seguridad, para evitar riesgos de electrocución, es un sistema de uso muy poco frec uente. 2.- Empleo de baterías de acumuladores. CC. La baja capacidad de encendido, así como la dificultad qu e presentan su manejo, son delicadas y pesadas, son desventa jas tan grandes frente a los explosores convencionales, que ho y en día puede decirse que no tienen ninguna utilidad.

3.- Empleo de explosores. Es el sistema más usado por la autonomía, ligereza y seg uridad que presentan respecto a los otros dos métodos. 1.- Explosores de dinamo. Los explosores de dinamo son generadores eléctricos do nde el giro del inducido se consigue mediante un engranaje de cremallera - piñón, o lo que es más común, mediante manivela . Para evitar fallos estos explosores llevan incorporado un d ispositivo especial de tal forma que la conexión se produce en el instante en que el rotor ha alcanzado la velocidad de giro s uficiente para mantener la f.e.m. en los bornes del aparato. 2.- Explosores de condensador. Son los más utilizados actualmente, y constan de una mani vela encargada de cargar el condensador, que en condiciones normales está en cortocircuito, mediante cualquier sistema (po r ejemplo un botón), al oprimirle y accionar la manivela, el co ndensador se carga, y una vez que alcanza la tensión nominal, si se continúa accionando la manivela sobrepasando la carga lí mite, esta se desprenderá de su exceso de carga a través de un dispositivo destinado a tal efecto.

Disponen de unos indicadores, normalmente analógicos, q ue cuando nos indica que ha alcanzado su máxima carga el exp losor, está listo para el disparo. Si por cualquier motivo se dejara de oprimir el botón, aut omáticamente el explosor se descarga, puesto que abre el cir cuito de descarga entre las placas del condensador. Circuito eléctrico . Conexiones de los detonadores. Los detonadores eléctricos que inician una voladura se co nectan entre sí formando un circuito, que se une a la fuente d e energía (explosor) por medio de las líneas de tiro. Las con exiones pueden hacerse en serie, en paralelo o

en

s

erie – paralelo. Las conexiones detonador – detonador o detonador línea, deben ser hechas procurando que siempre estén aisladas del suelo, sobre todo si estos son húmedos, porque de lo contrari o podrían producirse derivaciones que comprometieran el éxit o de la voladura, aconsejándose por ello el uso de conectador es, que proporcionan un eficaz aislamiento y son muy baratos.

Las voladuras (en serie) necesitan un voltaje elevado para su a ctivación, siendo necesario para soportarlo emplear hilos de bu ena calidad y aislamiento. El aprovechamiento de hilos restante s de otras voladuras puede ser perjudicial y origen de fallos. 1.- Conexión en serie. Cada detonador se conecta al ant erior y al siguiente por los dos terminales; los extremos libres del primer y último detonador de la serie se conectan a la líne a de tiro. Es importante que la línea de tiro permanezca cortocircui tada por el otro extremo hasta el momento de realizar a la comprobación del circuito. 2.- Conexión en paralelo. Así como la conexión en serie se caracterizaba por una elevada resistencia eléctrica, en paral elo la resistencia del circuito es muy pequeña y la intensidad d e corriente es muy alta. Esta conexión apenas es utilizada salvo en casos de muy pocos detonadores y en lugares donde por sus características especiales es previsible que se den derivaciones y sea difícil g arantizar un perfecto aislamiento en las conexiones. En estos ca sos, la pequeña resistencia eléctrica frente a las altas resistenc ias de la conexión anterior aseguran el éxito de la pega.