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Apuntes pep ...

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En el siglo 17 la pólvora empezó a usarse como método principal para fragmentar la roca en la minería. Cuando fue aceptada en la industria de la minería, la cantidad de accidentes aumentó y apareció la necesidad de explosivos y sistemas de iniciación más seguros. La pólvora se utilizó hasta el siglo 19 cuando Alfred nobel inventó la dinamita en base a nitroglicerina, la que se usó hasta mediados del siglo XX cuando se comenzó a utilizar ANFO. 1627->1865; 1865->1950. Posteriormente, en las décadas de 1960-1970 aparecieron los hidrogeles, reemplazando la dinamina en casi todos los campos. A fines de la década de 1970 apreció una variación llamada ‘emulsiones’ Hidrogel: Agentes explosivos constituidos por soluciones acuosas saturadas de Nitrato de Amonio, Nitrato de Sodio u Oxidantes de calcio, junto con combustibles, sensibilizantes, agentes espesantes y gelatinizantes que evitan la separación de los productos sólidos (El nitrato de amonio es una sal bastante soluble en agua). Partieron en la década de los 50 con mezclas de nitrato de amonio con aluminio y agua (65% NA, 20% Al y 15% agua). Con sensibilizadores como el TNT y posteriormente Aluminio. El agente oxidante compuesto por agua, nitrato de amonio y sodio, se le agregan compuesto como gomas o tio-urea para aumentar la viscosidad y retener las burbujas de gas. Los compuestos sólidos pueden ser Aluminio (aumenta la sensibilidad), almidón y gomas (junto al almidón, sirven para espesar las mezclas). También sustancia que hacen que se gelatinice la mezcla. No se añade suficiente agua como para que se disuelvan todos los nitratos. Para modificar la densidad se le agrega nitrato de sodio (aporta bastante oxigeno), productos de baja densidad o esferas de vidrio (microballons). La calidad del humo producto de los hidrogeles con aluminio es mejor que la de los explosivos convencionales. Emulsiones: Mantienes las propiedades de los Hidrogeles y mejora la Resistencia al agua y La potencia. En la década de los 60 se buscaba un proceso de detonación combinando una sustancia oxidante con un aceite mineral. Una Emulsión es un sistema “Bifásico” donde hay dos líquidos que se mantienen estables y no se pueden mezclar (Sistema bifásico en forma de una dispersión estable de un líquido inmiscible en otro). Una emulsión explosiva es del tipo “Agua en aceite”. La fase acuosa está compuesta sales oxidantes inorgánicas disueltas en agua (nitratos) y la fase aceitosa por un combustible líquido que no se puede mezclar con el agua (inmiscible) del tipo hidrocarbonado. Al igual que el ANFO para tener un balance de oxígeno óptimo se usa (6% fase aceitosa y 94% fase acuosa). La velocidad de detonación y la eficiencia de la reacción se relaciona con el tamaño de las partículas, por lo que se pasó de soluciones salinas con sólidos a microgotas de una emulsión explosiva. Ventajas: -

Menor precio (ya no se usan gomas de alto coste) Excelente resistencia al agua Densidades variables según se requiera Velocidad de detonación altas (4000-5000 m/s) Gran seguridad de fabricación y manipulación Carga mecanizada y posibilidad de mezclar con ANFO

Los inconvenientes pueden ser: Condiciones de preparación estrictas, se alteran a bajas temperaturas, contaminación de la carga cuando es a granel, tiempo de almacenamiento y periodos prolongados de transporte. Los ANFOS pesados son mezclas de ANFO con emulsiones, ya que el espacio que queda entre el nitrato de amonio es ocupado por la emulsión actuando como una matriz energética Cuando un explosivo es iniciado en forma apropiada, se convierte rápidamente en gases a alta temperatura y presión. Cuando detonan en forma no confinada, un litro de explosivo se expande a alrededor de 1000 litros de gas en milisegundos. Al estar confinados los explosivos (por un lado, la roca y arriba por el taco) la expansión de los gases produce tensiones extremadamente altas en la roca. La energía durante la detonación actúa igual en todas direcciones, pero tiende a escaparse por los lugares que opongan menor resistencia. Por esta razón es que los tiros deben ser cargados y tapados, así los gases quedan confinados el tiempo suficiente para que la roca se fracture producto de la onda de choque en un tiempo óptimo (desplazamiento de la onda en un tiempo adecuado), desplazamiento del gas y esponjamiento. Primero la onda de choque debe fracturar la roca, luego se genera el gas que entra por la fractura a una alta presión. ¿Qué es un explosivo? Es un compuesto o mezcla de sustancias que tiene la capacidad de transformarse mediante una reacción óxido-reducción en productos gaseosos liberando una cantidad considerable de energía durante el proceso. El volumen formado de gases es alto, además que este alcanza altas temperaturas y presiones (ya que generalmente se confina en un lugar relativamente pequeño). Un explosivo se descompone por los procesos de combustión, deflagración y detonación. -

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Combustión: Reacción química que produce calor Deflagración: Reacción exotérmica (libera calor) donde la descomposición del explosivo ocurre porque hay una reacción (‘reacción en cadena’) debido a la transmisión de calor entre las moléculas o partículas que lo componen. Detonación: Cuando hay una gran velocidad de reacción y tiene como resultado la formación de grandes volúmenes de gases. (Cuando la velocidad de detonación no se alcanza, el explosivo no detona, sino que deflagra)

La ley 17798 de control de armas, municiones, explosivos, etc. Regula todo lo relacionado con la fabricación, almacenamiento de explosivos o sustancias químicas relacionadas. Al igual que la manipulación y sanciones. Problemas en la voladura: o o o o

Diseño de malla deficiente Mala ejecución de los barrenos Mal cargado según el diseño propuesto Roca mal estudiada

Principales causas de un tiro quedado: -

Tapado incorrecto de pozos Falla operacional Falla de producto Cortes o daños en tubos Diseños incorrectos

Primarios: Detonadores e iniciadores Secundarios: Anfos, Emulsiones, etc. (agentes explosivos) y Dinamitas (E. Convencionales) Los camiones de fabrica son seguros, ya que transportan materias primas no explosivas (que pueden deflagrar, pero no detonar por si solas) y el explosivo se produce al mezclar las materias primas al momento de cargar el pozo. -

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Geología o Determina el tipo de roca a volar o Plan de extracción Área tronadura o Calcula y diseña mallas o Determina el tipo de explosivo y la cantidad a usar o Evalúa resultados Topografía o Marca en terreno la malla diseñada Operaciones o Perforación de pozos o Cargas de explosivos

Volumen de gases: Cantidad de litros de gases producidos por la descomposición del explosivo. General altas presiones cuando son sometidos a altas temperaturas. Estabilidad: Máximo tiempo que pueden estar almacenados los explosivos antes de que sus características químicas se alteren. Hay sustancias químicas que se pueden añadir como carbonato de calcio u oxido de zinc para aumentar el tiempo de almacenamiento. Algunos explosivos se les añade sal (como la sal de mesa) y hace que sea menos eficiente, la sal actúa como supresor de la flama y enfría la reacción. Esto permite utilizar el explosivo en ambientes saturados con metano (flama menos caliente y de corta duración) y así hay menos probabilidades de crear una explosión por metano. Sirve para minas de carbón o túneles de rocas sedimentarias donde se puede encontrar metano.

Explosivos sensibles a iniciador: Cuando se requiere un cebo para iniciarlos de manera confiable (que a su vez es un explosivo sensible a detonador). No son sensibles de detonador -

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Oxidante: Producto químico que entrega oxígeno para la reacción. El nitrato de amonio es el oxidante más común El combustible reacciona con oxígeno para producir calor. Los combustibles incluyen petróleo y polvo de aluminio. El aluminio genera calor durante la reacción, al aumentar la temperatura de la reacción, como la temperatura mide el grado de agitación molecular, aumenta la presión del gas que se genera. Sensibilizador: Entrega espacios vacíos que actúan como ‘puntos calientes’ y es donde empieza la reacción durante la detonación. Pueden ser aire o gas en forma de burbujas muy pequeñas. Pueden estar encapsulados en ‘microballons’ de vidrio.

Explosivos sensibles a detonador: Se clasifica en esta categoría los explosivos que se pueden iniciar confiablemente en un estado no confinado con un detonador de potencia 8 (que tiene una carga base de 0.46g de PETN). Este tipo de explosivo puede o no contener ingredientes que por sí solos son explosivos. Resistencia al agua Las emulsiones tienen una excelente resistencia al agua, los watersgels tiene una buena resistencia al agua y el ANFO una mala resistencia al agua. Las emulsiones a granel normalmente resisten durante un periodo de tiempo considerable en aguas sin movimiento, sin embargo, en agua dinámicas se pueden deteriorar rápidamente, llegando al punto en que falle al detonar. De manera similar con los explosivos encartuchados. Los ANFOS Pesados (nitraro+petróleo + aceites o ceras tiene mayor resistencia al agua). Densidad La densidad del explosivo corresponde al peso por unidad de volumen, se expresa en g/cm3. Si es mayor a 1g/cm3 se hunde en el agua, y si es menor, flota.

Mientras más baja la densidad, hay más porosidad en el explosivo y más alta sensibilidad. Generalmente cuando tienen densidad más baja, tiene diámetros críticos más pequeños. Los explosivos de densidad más alta generan más energía. En algunos explosivos como las emulsiones, se puede variar la densidad y así controlar la energía total liberada. Sensibilidad Es una medición de la facilidad con la que un explosivo puede ser iniciado (calor, roce, impacto o choque) Los explosivos con una sensibilidad muy alta pueden ser iniciador por impactos mecánicos o roces. Diámetro crítico: El diámetro bajo el cual un explosivo detonar de manera estable. Insensibilización La mayoría de los explosivos se vuelven menos sensibles a densidades más altas. Esta puede ocurrir de forma física, por la destrucción de burbujas de aire/gas o por microballons. También puede ocurrir una insensibilización por compresión (cuando hay mucha presión). Los explosivos sensibilizados por microburbujas de vidrio (GMB) son menos propensiones a la insensibilización por excesiva presión, ya que estas pueden recuperarse de sus estados comprimidos. Las presiones que afectan principalmente son: -

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Presión hidrostática: Solo en aquellos productos bombeados o encartuchados y que están sensibilizados por burbujas de gas desprotegidas. Por ej en pozos con profundidad mayor a 5m o bajo columnas altas de agua. Presiones dinámicas (inducidas por voladuras): En minas de superficie pueden ser presurizados. Dos formas principalmente: o Presión impuesta por cargas adyacentes: Cuando los pozos no están tan espaciados, la detonación del tiro anterior puede presurizar y por ende insensibilizar a otras cargas. Esto puede ocurrir cuando hay detonaciones en distintos tiempos. La presión puede ser ejercida por

Gases de la detonación que fluyen a través de las grietas en la roca (y estos entran en el pozo de la detonación posterior)  Por la onda de compresión (onda de choque) que pasa al pozo posterior  Deformación lateral del pozo y contracción de la carga debido al movimiento de la roca o aguas lluvia o Presión impuesta por cordón detonante: Cuando se usan cordones detonantes como sistema de iniciación, este pasa a través o junto a la columna de explosivos, este puede ser iniciado o insensibilizado si no se usa la combinación correcta de explosivo/cordón. Combinación de presiones dinámicas e hidrostáticas 

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Detonación por simpatía Iniciación de una o más cargas explosivas por la detonación de otro explosivo que está cerca. Generalmente es indeseable ya que anula el tiempo de retardo entre cargas. Esta afectada por la sensibilidad del producto, distancia de separación y características del macizo roco. Una detonación por simpatía (deseada) serían los explosivos sensibles a iniciador (donde hay un cebo que en sensible a detonador y este es el que inicia la carga de columna) Las emulsiones explosivas no detonan normalmente por simpatía, a menos que exista un paso directo o abierto entre pozos (una fractura). Por lo que podrían ocurrir una detonación por simpatía o insensibilización por presión dinámica, esto entre pozos. Velocidad de detonación (VODs) La velocidad con la que se propaga la detonación a través de una columna de explosivos. Dos explosivos que tienen la misma potencia, pero distinta VODs podrían desempeñarse de manera bastante diferente. En general, mientras más alta sea la VODs, mayor energía de choque y más baja energía de empuje. No es lo mismo la energía de choque con la energía de fragmentación. La VODs en explosivos utilizados en superficie varía entre 3000m/s a 7500 m/s. La VODs puede variar al incrementar el diámetro de la carga con el confinamiento. Las emulsiones al ser eficientes tienen VODs muy altas aun con un pobre confinamiento. Mientras mayor sea el diaetro, mayor será la VODs También es el parámetro de define el ritmo de la liberación de energía. Energía/potencia La energía de un explosivo expresa la capacidad de este para fragmentar. Un explosivo con mayor energía podrá trabajar sobre una mayor cantidad de roca. El rendimiento del explosivo está en función de la composición química, la forma física, el confinamiento, método de iniciación y tipo y extensión de la energía disponible (para hacer trabajo útil sobre la roca). El rendimiento de un explosivo se ha hecho tradicionalmente a partir de un cálculo de una detonación ideal (calculando la energía total liberada por la composición química). Sin

considerar los efectos de un confinamiento. Pero en realidad los explosivos no se comportan de forma ideal. Detonación ideal Potencias teóricas de los explosivos o las cargas; basadas en que todos los ingredientes reaccionan completamente, que están confinado en un diámetro infinito y contribuyen totalmente al proceso de quebrar la roca. La realidad es que parte de la energía se pierde (se descarga a la atmosfera, se pierde en forma de calor, etc.) durante la voladura, y parte de la energía queda bloqueada en las sustancias químicas que se forman después de la detonación. Energía efectiva La cantidad de energía que un usuario espera tener disponible para hacer trabajo efectivo. (En el caso real cuando la energía no es liberada instantáneamente). Esta se utiliza como base en la comparación de explosivos. Esta se calcula como la energía total liberada por los gases (cuando se expanden y hacen trabajo útil) desde una presión inicial hasta una presión corte de 100MPa (1000 atm) Entonces uno puede comprar explosivo en base a la energía de una detonación ideal o en términos de energía efectiva La energía efectiva varía dependiendo del código de detonación que sea usado por el fabricante. Generalmente usan sus propios métodos científicos (para calcular las potencias de explosivos). Y por lo tanto podría ser engañoso comprar valores dados por distintos proveedores directamente, sin consultar las suposiciones que hicieron para calcular la energía efectiva Valores de energía efectiva importante: -

Energía relativa efectiva en Peso (RWEE): Energía efectiva del explosivo comprada con la energía efectiva de igual peso de ANFO (94%NA, 6% combustible. d= 0.8g/cm3) Energía efectiva relativa en Volumen (RBEE): Energía efectiva del explosivo comparada con la energía efectiva de un mismo volumen de ANFO.

La RBEE tiende a ser más útil para un ingeniero de voladuras para comparar explosivos. ¿Por qué? Cuando un tiro es perforado en roca, se crea un volumen y es ventajoso maximizar la energía cargada (como la energía potencial del explosivo) dentro de ese volumen. En varias aplicaciones, el uso de un explosivo más caro con una RBEE más alta puede llevar a una reducción global en costos operativos, debido a un menor costo por perforación por tonelada de roca tronada. La RWEE y RBEE están basados en un código de detonación ideal

Detonación No ideal

El efecto de un explosivo dado un tamaño de pozo y para un tipo de roca, es distinto al modelo del rendimiento ideal, ya que el diámetro y el confinamiento no son infinitos. Energía de choque y de empuje La energía liberada por el explosivo es particionada en dos tipos principales, la energía de choque y la energía del gas. Esto resulta en un incremento del tamaño del pozo. La energía de choque es responsable del acondicionamiento de la roca. La energía del gas o energía de esponjamiento es entregada durante la expansión de los productos explosivos, dentro de las grietas de la roca. Una vez que se generan las fracturas, el gas es capaz de expandirse y así extiende el proceso de fractura y el movimiento de la roca. A medida que esto pasa, la presión del gas cae hasta que se descarga hacia la atmosfera. Efecto del confinamiento y del diámetro Una roca más dura implica un mayor confinamiento. Esto implica una mayor VOD de los explosivos. También significa que una presión de gas más alta se puede obtener durante un tiempo más largo. Cuando existe un golpe de ariete en las tuberías de agua, por ejemplo, la presión del agua produce un corte en la parte más débil de la tubería (corte longitudinal). En el caso de un barreno podría ocurrir lo mismo, la diferencia es que en la tubería la presión tiene un incremento proporcional. En el caso del barreno, la sobre presurización ocurre de forma casi instantánea, por lo que no falla en punto más débil, sino que falla simultáneamente en varios puntos. Las fracturas ocurren de manera paralelas al eje del barreno, formando se grieta radiales. También hay que considerar las micro-fracturas producidas por la onda de choque. Por lo que se forman micro-fracturas por la onda de choque, luego se incrementan debido a la presión ejercida por el gas, y finalmente el gas, que está a alta presión, se expande por la grietas.

El diámetro del explosivo también afecta al rendimiento o la VOD. En diámetros muy grandes (infinitos, detonación ideal), el explosivo debería detonar a una velocidad cercana a su VOD ideal. A medida que se recude el diámetro de los explosivos, la VOD cae hasta el punto en que el explosivo falla. Esto se conoce como diámetro crítico Por lo que los efectos del diámetro y confinamiento sobre la VOD son importantes, ya que esto afecta las proporciones de la energía de choque y la energía del gas.

La rigidez de la roca (módulo de Young(E)) tiene una importancia en determinar cómo se particiona la energía de choque y la energía del gas.

En la roca dura, que entrega un mayor confinamiento, la presión de equilibrio (Cuando la presión del gas se iguala con la presión del material alrededor) se obtiene antes. El pozo en este caso no se expande tanto como en la roca más blanda. Esto tiene como resultado que la energía de choque es menor a la energía del gas. En una roca más blanda es lo contrario, se libera más energía en forma de choque y menos en forma de gas. La energía efectiva total (que se ve en la imagen) puede ser identificada como la energía de fragmentación Emanaciones Post-Detonación Los principales gases producidos por la detonación son dióxido de carbono, nitrógeno y vapor. Esos son los gases ‘no tóxicos’. Los gases tóxicos que se producen son monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno principalmente. El sulfuro de hidrógeno y el dióxido de azufre no se producen normalmente, pero bajo ciertas condiciones, pueden estar presentes en voladuras de minerales de sulfuro.

Los gases post-detonación se pueden conocer como ‘emanaciones’. El monóxido de carbono es el gas toxico mas persistente. Es incoloro, inodoro, insípido y no causa irritación. Es más liviano que el aire. Los óxidos de nitrógeno usualmente aparecen en forma de dióxido de nitrógeno con un color rojizo-café. Es más peligroso que el CO. En general las emanaciones no son consideradas como peligrosas en rajo abierto, pero se puede generar una situación riesgosa en el fondo del rajo en días de calma. Los resultados deficientes en la...