Cap 1 - Explosivos

8/10/2019 Cap 1 - Explosivos

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DESARROLLO DE UNA DETONACION

Detonacin

Tiempo

Deflagracin

t1

Transicin

Velocidad

dereaccin

os materiales explosivos son compuestos o mezclas desustancias en estado slido, lquido o gaseoso, que por

medio de reacciones qumicas de xido-reduccin, soncapaces de transformarse en un tiempo muy breve, del ordende una fraccin de microsegundo, en productos gaseosos ycondensados, cuyo volumen inicial se convierte en una masagaseosa que llega a alcanzar muy altas temperaturas y en

consecuencia muy elevadas presiones.

As, los explosivos comerciales son una mezcla de sustancias,

combustibles y oxidantes, que incentivadas debidamente, danlugar a una reaccin exotrmica muy rpida, que genera unaserie de productos gaseosos a alta temperatura y presin,qumicamente ms estables, y que ocupan un mayor volumen,aproximadamente 1 000 a 10 000 veces mayor que el volumenoriginal del espacio donde se aloj el explosivo.

Estos fenmenos son aprovechados para realizar trabajomecnico aplicado para el rompimiento de materiales ptreos,en lo que constituye la tcnica de voladura de rocas.

Los explosivos constituyen una herramienta bsica para laexplotacin minera y para obras de ingeniera civil.

Los procesos de reaccin segn su carcter fsico-qumico y el

tiempo en que se realizan se catalogan como:

A. Combustin

Puede definirse como tal a toda reaccin qumica capaz dedesprender calor pudiendo o no, ser percibida por nuestrossentidos, y que presenta un tiempo de reaccin bastante lento.

B. Deflagracin

Es un proceso exotrmico en el que la transmisin de lareaccin de descomposicin se basa principalmente en laconductividad trmica. Es un fenmeno superficial en el que elfrente de deflagracin se propaga por el explosivo en capasparalelas, a una velocidad baja, que generalmente no superalos 1 000 m/s.

La deflagracin es sinnimo de una combustin rpida. Losexplosivos ms lentos al ser activados dan lugar a unadeflagracin en la que las reacciones se propagan porconduccin trmica y radiacin.

C. Detonacin

Es un proceso fsico-qumico caracterizado por su granvelocidad de reaccin y por la formacin de gran cantidad deproductos gaseosos a elevada temperatura, que adquieren unagran fuerza expansiva (que se traduce en presin sobre el reacircundante).

En los explosivos detonantes la velocidad de las primerasmolculas gasificadas es tan grande que no ceden su calor por

conductividad a la zona inalterada de la carga, sino que lostransmiten por choque, deformndola y produciendocalentamiento y explosin adiabtica con generacin denuevos gases. El proceso se repite con un movimientoondulatorio que afecta a toda la masa explosiva y que sedenomina onda de choque, la que se desplaza a velocidadesentre 1 500 a 7 000 m/s segn la composicin del explosivo ysus condiciones de iniciacin.

Un carcter determinante de la onda de choque en ladetonacin es que una vez que alcanza su nivel de equilibrio(temperatura, velocidad y presin) este se mantiene durantetodo el proceso, por lo que se dice que es autosostenida,mientras que la onda deflagrante tiende a amortiguarse hasta

prcticamente extinguirse, de acuerdo al factor tiempo entredistancia (t/d) a recorrer.

Tanto en la deflagracin como en la detonacin la turbulenciade los productos gaseosos da lugar a la formacin de la ondade choque. La regin de esta onda donde la presin se elevarpidamente se llama frente de choque. En este frente

ocurren las reacciones qumicas que transformanprogresivamente a la materia explosiva en sus productosfinales. Por detrs del frente de choque, que avanza a lo largode la masa de explosivo, se forma una zona de reaccin, queen su ltimo tramo queda limitada por un plano ideal, que sedenomina Plano de Chapman-Jouguet (CJ), en el cual lareaccin alcanza su nivel de equilibrio en cuanto a velocidad,temperatura, presin de gases, composicin y densidad, lo quese conoce como condiciones del estado de detonacin. En elplano CJ los gases se encuentran en estado dehipercompresin.

La zona de reaccin en los altos explosivos es muy estrecha,slo de algunos milmetros en los ms violentos como TNT ydinamita gelatinosa y, por el contrario, es de mayor amplitud enlos explosivos lentos o deflagrantes como el ANFO.

Otra diferencia es que en el caso de una combustin o

deflagracin, los productos de la reaccin de xido-reduccinse mueven en el sentido contrario al sentido de avance de lacombustin, mientras que en el caso de una detonacin, losproductos se desplazan en el mismo sentido de avance de ladetonacin. Esto se evidencia por medio de la ecuacinfundamental conocida como la Condicin de Chapman-Jouguet:

VOD = S + W

Donde:

VOD : velocidad de detonacin.S : velocidad de sonido.W : velocidad de partculas (productos).

Donde se deduce que cuando W tiene un valor negativo, esdecir cuando las partculas se mueven en el sentido contrario alavance de la reaccin de xido-reduccin, se tendr que VOD< S, lo que significa que la velocidad de avance de la reaccines menor que la velocidad del sonido. En este caso se tiene un

fenmeno de simple combustin o deflagracin subsnica.

En resumen, deflagracin y detonacin son fenmenos dexido-reduccin, siendo la deflagracin de carcter subsnico,pues las ondas de compresin o dilatacin de baja densidad se

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propagan con una velocidad menor o igual que la del sonidodentro de los gases resultantes como producto de lacombustin rpida, mientras que la detonacin es de carctersupersnico, pues las ondas de compresin se propagan avelocidad mayor que la del sonido con respecto al mediogaseoso resultante.

En ambos casos la turbulencia de los productos gaseososdar lugar a la formacin de la onda de choque y la regin deesta onda donde la presin aumenta rpidamente se denomina

frente de choque, que es precisa-mente donde transcurren lasreacciones fsico-qumicas que transforman progresivamente ala materia explosiva en sus productos finales.

En general, respecto a la velocidad, los explosivos sonconsiderados como:

a. Deflagrantes: cuando la velocidad est por debajo de los1 000 m/s.

b. Detonantes de bajo rgimen: de 1 000 a 1 800 m/s(transicin entre deflagracin y detonacin).

c. Detonantes de rgimen normal; con velocidades entre

1 800 y 5 000 m/s (categora a la que pertenecen casitodos los explosivos de uso industrial).

Detonantes de alto rgimen: cuando la velocidad est porencima de los 5 000 m/s (es el caso de los altos explosivos deuso militar). Desde el punto de vista de aplicacin en lavoladura de rocas, la reaccin de detonacin se traduce en unfuerte efecto de impacto triturador, mientras que en unadeflagracin este efecto es muy limitado.

EXPLOSIN

La explosin, por su parte, es un fenmeno de naturalezafsica, resultado de una liberacin de energa tan rpida que seconsidera instantnea.

La explosin es un efecto y no una causa.

En la prctica se consideran varios tipos de explosin que sedefinen con base en su origen, a la proporcin de energaliberada y al hecho que desencadenan fuerzas capaces decausar daos materiales:

A. Explosin por descomposicin muy rpida

La liberacin instantnea de energa generada por unadescomposicin muy rpida de materias inestables requiereuna materia inestable (explosivo) y un procedimiento dedetonacin.

B. Explosin por oxidacin muy rpida del aire

La liberacin de energa generada por oxidacin muy rpida deun vapor, gas o polvo inflamable (gasolina, gris en las minasde carbn).

C. Explosin nuclear

Este tipo implica la liberacin instantnea de energa creadapor fusin nuclear, tal como sucede en una bomba dehidrgeno o por fisin nuclear, tal como sucede en la bombaatmica (uranio).

D. Explosin por exceso de presin

Este tipo de explosin es el resultado de la liberacininstantnea de la energa generada por un exceso de presinen recipientes, calderos o envases y puede deberse a diversosfactores como calentamiento, mal funcionamiento de vlvulas uotros motivos.

PROCESO DE DETONACION

Explosivo rompedor (secundario)Explosivo iniciador (primario) detonador

Proceso de detonacin:

Detonador: crea la onda de choque iniciadora(1). La onda avanza a alta velocidad originandola reaccin de la masa, inicialmente en unpunto, el que se amplia hasta ocupar eldimetro total del explosivo, donde esteadquiere su velocidad mxima de detonacin(velocidad de rgimen constante VOD).

Por detrs del frente de choque (FC) se formala zona de reaccin (ZR) limitada por el planode Chapman Jouget (PCJ) con la mxima

temperatura y presin de detonacin; donde lamasa explosiva se descompone para originarla zona de explosin (ZE) que le sigue (contemperatura y presin de explosin, muyelevadas).

E = explosivo an sin reaccionarZR = zona de reaccinZE = zona de explosinFC = frente de choque de la onda de detonacinPCJ = plano de Chapman Jouget (lmite de la

zona de reaccin hacia la explosin)PT0 = presin ceroP1T1 = presin y temperatura de reaccinP2T2 = presin y temperatura de explosinP3 = presin de trabajo (efecto mecnico)

Explosivo (detonador)

PT0 P1T1 P2T2 P3

(FC) (PCJ)

3 2 1

(E) (ZR) (ZE)

(FC) (PCJ)

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E. Ignicin espontnea

La ignicin espontnea puede producirse cuando tiene lugar unproceso de oxidacin lento de la materia sin una fuente externade calor; comienza lentamente pero va hacindose ms rpidohasta que el producto se inflama por s solo (carbn mineralacumulado, nitrato de amonio apilado sin ventilacin).

Para el caso de los explosivos, a consecuencia de la fase dedetonacin y ms all del plano CJ, ocurrir una

descompresin y baja de temperatura de los gases hasta quealcancen una condicin de densidad y presin que se conocecomo condiciones del estado de explosin.

TERMOQUMICA DE LOS EXPLOSIVOS

Se refiere a los cambios de energa interna, principalmente enforma de calor.

La energa almacenada en un explosivo se encuentra en formade energa potencial, latente o esttica.

La energa potencial liberada a travs del proceso dedetonacin se transforma en energa cintica o mecnica.

La Ley de Conservacin de la Energa establece que en

cualquier sistema aislado la cantidad de energa es constante,aunque la forma puede cambiar, as:

(Up + Uc) = cte.

Donde:

Up : energa potencialUc : energa cintica

Pero no toda la energa suministrada por un explosivo setransforma en trabajo til, ya que tienen lugar algunas prdidas,como vemos en el siguiente cuadro:

Los explosivos comerciales deben proporcionar suficienteenerga remanente despus de la detonacin como para poderfracturar la roca, desmenuzarla, desplazar los fragmentos yapilarlos adecuadamente.

Los parmetros termoqumicos ms importantes de un procesode reaccin son: presin, calor de explosin, balance deoxgeno, volumen de gases, temperaturas de explosin yenerga disponible que en forma simple se definen como:

DISTRIBUCION DE LA ENERGIA POTENCIAL DE UN EXPLOSIVO EN LA VOLADURA

EXPLOSION

ENERGIA NO UTILIZABLE O PERDIDA

Energa de impactode la onda de choque

Energa de presin delos gases en expansin

ENERGIA UTIL DE TRABAJO

Trmica(Calor)

Snica(Ruido)

Luminosa(Destello)

Vibratoria(Onda ssmica)

Fallas por disparo(Tiros fallados)

(Fugas por fisuras)

Energa remanente de la expansin de gases.

Los efectos sumados de impacto y de presinproducen primero la deformacin elstica y luego larotura in situ de la roca, como craquelacin,gastando energa.

Saldo o porcentaje utilizable para la rotura efectivade fragmentos de roca.

Saldo final para el desplazamiento de losfragmentos dentro del montn de escombros (paraempujar y apilonar la ruma de detritos).

Prdida al ponerse los gases a alta presin encontacto con la atmsfera.

Prdida al golpear las estructuras colindantes(cajas, techo, etc.).

Prdida al adicional en el impulso para proyeccinde fragmentos volantes (fly rocks).

Nota: la rpida cada de presin de detonacin en la voladura se debe tanto al aumento continuo de volumen de lacavidad inicial, como al enfriamiento de los gases. Por tanto, es condicin prioritaria ubicar y confinaradecuadamente la carga explosiva, iniciarla con fuerza y retener el proceso de detonacin dentro del taladro elmayor tiempo posible, para utilizar el mximo de energa en el taladro.

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A. Presin

Efecto de la accin expansiva de los gases calientes de unaexplosin.

a. Presin de detonacin

Es la presin que existe en el plano CJ detrs del frente dedetonacin, en el recorrido de la onda de detonacin. Esfuncin de la densidad y del cuadrado de velocidad y su valor

se expresa en kilobares (kbar) o en megapascales (MPa). As,en los explosivos comerciales vara entre 500 y 1 500 MPa.

Es un indicador significativo de la capacidad de fragmentacinque posee un explosivo.

Existen varias formas para estimarla por clculo y pruebasfsicas complicadas como la del acuario para determinarla bajoagua, pero dentro de la teora hidrodinmica se muestra que suvalor prctico expresado en kilobares es:

PD = (ex VOD x W x 10

-5) (1)

Donde:

PD : presin de detonacin, en kbare : densidad del explosivo, en g/cm

3

VOD : velocidad de detonacin, en m/sW : velocidad de partcula (productos), en m/s10

-5 : factor de conversin

Teniendo en consideracin que el plano CJ se mueve a muyalta velocidad, mientras que la del movimiento de los productosde explosin (W) slo alcanza un valor de 0,25 VOD, se tienecomo valor experimental medio que:

W = 0,25 VOD, o sea W VOD4

Entonces, reemplazando en (1) tendremos la frmula prcticasiguiente:

PD = ex (VOD)2x 10-5; o tambin:

4

PD =ex (VOD)

2x 10-5 (2)4

En donde se considera la relacin constante W = (VOD/4),pero en realidad, el divisor considerado constante flucta entre3,4 y 5,8 con valores frecuentes entre 4,2 y 4,5 lo que debetenerse presente.

Esta frmula, muy cercana al valor terico, se aprovecha paraclculos prcticos con datos de fcil alcance, principalmentepara explosivos de mediana o alta densidad.

Ejemplos:

- Para dinamita, con ede 1,3 g/cm3y VOD de 4 500 m/s:

PD = 1,3 x (4 500)2x 10

-5 = 66 kbar

4

- Para ANFO 94/6, con ede 0,9 g/cm3y VOD de 2 800 m/s:

PD = 0,9 x (2 800)2x 10

-5 = 18 kbar

4

Nota:Esta frmula (2) en unidades del Sistema Internacionalsera:

PD =ex (VOD)

2x 10-3

4

En la que PD se expresa en Megapascales (MPa).

b. Presin de explosin

Es la presin de los gases producidos por la detonacin,cuando estos todava ocupan el volumen inicial del explosivoantes de cualquier expansin. Nuevamente dentro de unaprimera aproximacin muy aceptada, se puede considerar quela presin de explosin es igual al 50 % de la presin dedetonacin.

Entonces, para la dinamita antes considerada:

PE = 0,5 PD

PE = 0,5 x 66 = 33 kbar

Dicho de otro modo, la presin termo-qumica o presinmxima disponible para trabajo (PE) equivale a la mitad de lapresin de detonacin (PD), o sea:

PE = ex (VOD)2 x 10-5

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Como ejemplo de referencia tenemos los siguientes rangoslmites de presin de explosin:

ANFO Nitroglicerina30 kbar lmites 120 kbar

c. Presin de taladro o de trabajo

Es la presin que ejercen los gases sobre las paredes detaladro antes de iniciarse la deformacin de la roca. Dependede la densidad de carguo y se define como sigue: en el casode un taladro total y perfectamente llenada, la presin detaladro es tericamente igual a la presin de explosin. Enrealidad ser algo inferior, ya que la presin de explosinpresupone un fenmeno instantneo, cuando realmente latransformacin del explosivo en gas se produce enaproximadamente un milisegundo o menos. De esta demoraresulta una ligera prdida de presin, tal como lo demuestranlas conocidas curvas presin versus tiempo.Para gran nmero de explosivos se ha constatado que lapresin de taladro obedece aproximadamente a la siguienteecuacin:

PT = PE x (dc)2,5

Donde:

dc : densidad de carguo.

As, con el anter ior ejemplo de la dinamita, con densidades decarguo de 0,8 y 0,9 g/cm

3 y con presin de explosin de 33

kbar, tendremos:

PT = 33 x (0,9)2,5

= 25 kbar

PT = 33 x (0,8)2,5

= 19 kbar

La frmula pierde validez para densidad de carguo demasiadobaja.

La presin de explosin decae rpidamente hasta alcanzar loque se denomina presin de taladro, la que igualmentedisminuye con la expansin de las paredes del taladro hastaalcanzar el valor de 1 atm (101,325 kPa) al ponerse en

contacto con el aire libre, acorde a una curva como la siguiente:

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La presin de taladro en trminos generales equivale entre el30 y 70 % de la presin de detonacin.

La densidad de carguo (dc) nos da la medida del grado dellenado. Cuando es perfecto sin dejar el menor espaciodesocupado tenemos por definicin una densidad de carguoigual a uno.

En general, cuando un taladro se llena el 100% de su espaciocon explosivo, la densidad de carguo es de 100/100 = 1.

Por ejemplo: al 92 % de espacio ocupado por explosivotenemos 92/100.

dc = 0,92

Nota:Para fines prcticos la presin de detonacin se calculacon cartuchos de 30 mm de dimetro, segn la formulaaproximada:

PD = 0,25 xex (VOD)

2

Donde:

e : densidad del explosivo.

VOD : velocidad de detonacin, con 30 mm dedimetro.

La presin en el taladro es de 100 mil a 200 mil atmsferas.

B. CALOR DE EXPLOSIN

Es el calor generado y liberado por el proceso de reaccin deun explosivo al ser activado.

Cuando se produce una explosin a presin constanteejerciendo nicamente un trabajo de expansin o compresin,la Primera Ley de la Termodinmica establece que:

Qc = ((Uc + (P x V))

Donde:

Qc : calor liberado por la explosin.Uc : energa interna del explosivo.P : presin.

V : volumen.

Como (Uc + PV) se refiere al calor contenido o entalpa Hp,entonces puede escribirse:

Qc = - (

Hp)

As el calor de explosin a presin constante es igual al cambiode entalpa y puede estimarse establecindose el balancetrmico de la reaccin, multiplicando los calores de formacinde los productos finales por el nmero de moles que se formade cada uno, sumndolos para restar a continuacin el calor deformacin del explosivo.

Hp(explosivo) = Hp(productos) - Hp(explosivo)

O tambin dicho de otro modo:

Qe = Qp Qr

Donde:

Qe : calor total de explosin liberado.Qp : calor total de formacin de los productos

componentes.Qr : calor total de formacin de los productos finales

resultantes.

Por ejemplo, para el caso del ms simple agente de voladura,el ANFO convencional 94/6, podemos calcular su calor deexplosin utilizando los calores de formacin (kcal/mol) y pesosmoleculares de sus componentes, que se obtienen de tablas demanuales de fsica y qumica, como:

PRODUCTOCALOR DE FORMACIN

(kcal/mol)

PESO MOLECULAR

(g)Nitrato de amonio (NH4NO3) - 87,3 80,1

Petrleo diesel (2CH2) - 7,00 14,0

Dixido de carbono (CO2) - 94,1 44,0

Agua (H2O) - 57,8 18,0

Nitrgeno (N) 0 14,0

El balance de reaccin del ANFO es:

3NH4NO3+ 1CH2 CO2 + 7H2O + 3N2(Explosivo) (Productos de reaccin)

Sustituyendo los valores del cuadro tenemos para el explosivo(Qp):

3(- 87,3) + (- 7) = - 268,9 kcal

Para los productos de reaccin (Qr):

(- 94,1) + 7(- 57,8) + 3(0) = - 498,7kcal

Luego Qp - Qr = Qe; calor de explosin, que es:

- 498,7 kcal - (- 286,9 kcal) = - 229,8 kcal

El peso molecular (PM) del explosivo segn los valores de tablaes:

PM = 3(80,1 g) + 1(14 g) = 254,3 g

El calor de explosin obtenido se divide entre el nmero degramos de la mezcla para normalizar la reaccin a un gramo ounidad base de peso.

Como usualmente se emplea el kilogramo como unidad, almultiplicar el resultado por 1.000 g/kg resulta:

QKp = 229,8 kcal x 1000 g/kg = 903,7 kcal/kg254,3 g

Esto como valor prctico, pero para referencias ms exactas setendr en cuenta que el calor a presin constante no tieneinters tcnico, pues el proceso de detonacin tiene lugar avolumen constante. Para calcular este ltimo es necesarioincrementar el calor a presin constante con el consumido en laexpansin adiabtica.

Qmv = Qe + 0,58 x Npg

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Donde:

Npg : nmero de moles de productos gaseosos.

Y si en vez de calor desprendido por mol se requiere elcorrespondiente a un kilogramo de explosivo se tendr:

Qkv = Qmv x 1 000PM

As, en el ejemplo anterior resultar:

Qmv = 229,8 + 11 x 0,58 = 236,18 kcal/mol

Qkv = 236,18 x 1.000 = 928,74 kcal/kg254,3

Notas:

- No se requiere calor para formacin de elementos puroscomo, N, C, H, o Al, por lo que tienen valor cero.

- Si se libera calor durante la reaccin se dice que se tienecalor de formacin negativo (exotrmica); si se tiene queadicionar calor para producir la reaccin se dice que la

composicin tiene calor de formacin positivo(endotrmica).

C. VOLUMEN DE EXPLOSIN

Es el volumen que ocupan los gases producidos por unkilogramo de explosivo en condiciones normales. El volumen omol de la molcula-gramo de cualquier gas, en condicionesnormales es 22,4 litros.

Para el caso de la nitroglicerina, como ejemplo se tiene:

4C3H5 3(NO3) 12CO2 + 10H2O + 6N2 + O2(1) (2) (3) (4)

La explosin de 1 mol de nitroglicerina genera:

(12 + 10 + 6 + 1 = 29)

29/4 = 7,25 g-mol de productos gaseosos a 0C y a presinatmosfrica, por lo que el volumen de explosin ser:

7,25 g-mol x 22,4 litro/g-mol = 162,4 litros

A una temperatura mayor el volumen de gases aumenta deacuerdo con la Ley de Gay-Lussac; as, para el caso anterior,considerando un incremento de 15C, se tendr.

162,4 x 283 = 168,35 litros273

En la prctica, metales pulverizados como el aluminio seemplean para incrementar el calor de explosin, los que alelevar las temperaturas de reaccin elevan la presin de gases.

D. BALANCE DE OXGENO

Con excepcin de la nitroglicerina y el nitrato de amonio, lamayora de los explosivos son deficientes en oxigeno, pues notienen suficiente para poder convertir cada tomo de carbono ehidrgeno presentes en la molcula explosiva en dixido decarbono y agua.

Normalmente un explosivo no utiliza el oxgeno atmosfricodurante el proceso de detonacin, por lo cual el calor generadopor la explosin de un producto deficiente en oxgeno es menor

que el generado en condiciones de oxidacin completa. Esteparmetro se considera en el captulo de propiedades de losexplosivos.

E. ENERGA MNIMA DISPONIBLE

Es la cantidad de trabajo que realizan los productos gaseososde una explosin cuando la presin permanece constante a1 atm.

En su forma ms simplificada, la ecuacin diferenciada para eltrabajo de expansin (We) a presin (P) constante, es:

We = P x (V2 - V1)

Donde:

We : trabajo de expansin.P : presin resistente (1 atm).V1 : volumen de explosivo.V2 : volumen de los gases de explosin.

Como el volumen V1 es despreciable frente al de los gasesproducidos, la cantidad de trabajo disponible viene dada por:

We = P x V2

Para el caso del ejemplo anterior de la nitroglicerina, al sustituiren la ecuacin tenemos:

We = 1 atm x 168,35 litros = 168,35

We = 1 x 168,35 x 10,23 = 1 722,21 kg x m

Esta cantidad de trabajo se considera que es la mnima energadisponible.

F. TEMPERATURA DE EXPLOSIN

Es la temperatura a la que llega el proceso de reaccinexplosiva.

En el caso de cada producto en particular, se expresa engrados centgrados (C) o kcal/kg.

Tiene importancia especial en el caso de minas de carbn conambiente elevado de gris, donde una alta temperatura deexplosin puede inflamarlo. Las altas temperaturas pueden serdisminuidas aadiendo al explosivo productos depresores decalor, como el cloruro de sodio.

El clculo de temperaturas se basa en la frmula paratemperatura absoluta de cualquier combustin:

Te = Qkv(mc x ce)

Donde:

Qkv : calor total desprendido a volumen constante.mc : peso en kilogramos de cada uno de los

productos de la reaccin.ce : calores especficos a la temperatura Te.

Ejemplo de temperaturas de explosin:

ANFO Nitroglicerina pura2 800 K (2 527C) 4 700 K (4 427C)

Donde C = K 273.

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MECNICA DE ROTURA DE ROCAS

A. Proceso de fracturamiento

La fragmentacin de rocas por voladura comprende a la accin

de un explosivo y a la consecuente respuesta de la masa deroca circundante, involucrando factores de tiempo, energatermodinmica, ondas de presin, mecnica de rocas y otros,en un rpido y complejo mecanismo de interaccin. Estemecanismo an no est plenamente definido, existiendo variasteoras que tratan de explicarlo entre las que mencionamos a:

- Teora de reflexin (ondas de tensin reflejadas en unacara libre).

- Teora de expansin de gases.

- Teora de ruptura flexural (por expansin de gases).

- Teora de torque (torsin) o de cizallamiento.

- Teora de craterizacin.

- Teora de energa de los frentes de onda de compresin y

tensin.

- Teora de liberacin sbita de cargas.

- Teora de nucleacin de fracturas en fallas ydiscontinuidades.

Estas teoras se basan en criterios sobre distribucin deenerga, accin de fuerzas de compresin-tensin, reflexin deondas de choque en la cara libre, efectos de corte ycizallamiento por movimiento torsional entre taladros, presinde gases sbitamente aplicados sobre la roca y liberacin decargas, ruptura de material rgido por flexin, integracin o

nucleacin de microfracturas en fisuras y fallas, colisin defragmentos en el aire y otros, sustentados basndose enespeculaciones, investigaciones en laboratorios especializadosy campos de pruebas, modelos fsicos y matemticos, pruebasexperimentales y de produccin controladas por fotografa de

alta velocidad y monitoreo ssmico, pruebas con cargassubacuticas y otros. Algunas teoras se comprueban enciertas condiciones de trabajo mientras que en otrascondiciones no responden, por lo que an no se consideranconcluyentes. Una explicacin sencilla, comnmente aceptada,que resume varios de los conceptos considerados en estasteoras, estima que el proceso ocurre en varias etapas o fasesque se desarrollan casi simultneamente en un tiempoextremadamente corto, de pocos milisegundos, durante el cualocurre la completa detonacin de una carga confinada,comprendiendo desde el inicio de la fragmentacin hasta eltotal desplazamiento del material volado.

Estas etapas son:

1. Detonacin del explosivo y generacin de la onda dechoque.

2. Transferencia de la onda de choque a la masa de la rocainiciando su agrietamiento.

3. Generacin y expansin de gases a alta presin ytemperatura que provocan el fracturamiento y movimientode la roca.

4. Desplazamiento de la masa de roca triturada para formarla pila de escombros o detritos.

B. Descripcin del proceso

Inmediatamente despus de la detonacin, el efecto deimpacto de la onda de choque y de los gases en rpida

EFECTOS DEL PROCESO DE DETONACION DE UN EXPLOSIVO CONFINADOEN UN TALADRO DE VOLADURA EN ROCA

Fase 1: Por la onda de choque; impacto sobre las paredes del taladro y transferencia de la onda a laroca circundante, como fuerzas de compresin tensin, primero y como transmisin de ondassmica al final.

Fase 2: Ensanchamiento del taladro por la presin de los gases en expansin, hasta la rotura yposterior desplazamiento de la roca triturada.

Fase 1 Fase 2

Explosivo an sin reaccionar

Roca an no alterada

Onda de choque

Roca comprimida

Onda de reflexin

Ensanchamiento del taladro

Cada de la presin inicial

Roca triturada

Direccin de avance de la detonacin

FC ZR PCJ

FC : frente de choqueZR : zona de reaccinPCJ : plano CJ

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expansin sobre la pared del taladro, se transfiere a la rocacircundante, difundindose a travs de ella en forma de ondaso fuerzas de compresin, provocndole slo deformacinelstica, ya que las rocas son muy resistentes a la compresin.Al llegar estas ondas a la cara libre en el frente de voladuracausan esfuerzos de tensin en la masa de roca, entre la caralibre y el taladro. Si la resistencia a tensin de la roca es

excedida, sta se rompe en el rea de la lnea de menosresistencia (burden), en este caso las ondas reflejadas sonondas de tensin que retornan al punto de origen creando

fisuras y grietas de tensin a partir de los puntos y planos dedebilidad naturales existentes, agrietndola profundamente(efecto de craquelacin).

Casi simultneamente, el volumen de gases liberados y enexpansin penetra en las grietas iniciales amplindolas poraccin de cua y creando otras nuevas, con lo que se producela fragmentacin efectiva de la roca. Si la distancia entre eltaladro y la cara libre est correctamente calculada la rocaentre ambos puntos ceder, luego los gases remanentesdesplazan rpidamente la masa de material triturado haciaadelante, hasta perder su fuerza por enfriamiento y poraumento de volumen de la cavidad formada en la roca,momento en que los fragmentos o detritos caen y se acumulanpara formar la pila de escombros.

En esta etapa se produce fragmentacin adicional por elimpacto de los trozos de roca en el aire. La reaccin delexplosivo en el taladro es muy rpida y su trabajo efectivo seconsidera completado cuando el volumen de la masa se haexpandido a 10 veces el volumen original lo que requiereaproximadamente 5 a 10 milisegundos. Normalmente el trabajode fragmentacin es ms eficiente en las rocas compactas yhomogneas que en las naturalmente muy fisuradas, ya que enellas los gases tendern a escapar por las fisurasdisminuyendo su energa til. Tericamente la detonacin tieneun efecto de expansin esfrica pero como normalmente losexplosivos se cargan en taladros o huecos cilndricos, ladetonacin tiene expansin cilndrica donde, comoconsecuencia de la dilatacin del taladro en un entorno rgido,se crea un proceso de fisuramiento radial, que da lugar a laformacin de planos de rotura verticales concordantes con eleje del taladro.

La rotura de rocas requiere condiciones fundamentales como:

a. Confinamiento del explosivo en el taladro

Para lograr el mejor acoplamiento con la pared interior quepermita transferir la onda de choque a la roca. Explosivo suelto,presencia de vacos o desacoplamiento disminuyenenormemente este efecto.

b. Cara libre

Es indispensable para la formacin y retorno de las ondas detensin reflejadas que provocan la fragmentacin. Si la caralibre es inadecuada la voladura ser deficiente y si no hay cara

libre las ondas de compresin viajarn libremente sin reflejarse,difundindose a la distancia slo como ondas ssmicas.

c. Distancia del taladro a la cara libre

Tambin denominada lnea de menor resistencia o burden.Debe ser adecuada para cada dimetro de taladro. Si es muylarga la reflexin de ondas ser mnima, e incluso nula y lafragmentacin se limitar a la boca o collar del taladro comocraterizacin.

Si estas condiciones son adecuadas, el empuje de los gasessobre la masa de roca en trituracin provocar adems la

formacin de planos de rotura horizontales, a partir de la caralibre como resultado de los esfuerzos de tensin producidoscuando la roca llega a su lmite de deformacin elstica y a ladeformacin convexa de la cara libre, donde se forman grietasde plegamiento, de las que nacen los planos de roturahorizontales mencionados. Este proceso se denomina roturaflexural. En el momento de la flexin de la cara libre se

produce adems cierta proporcin de rotura por descostre.

El material triturado y proyectado se acumula formando la pilade escombros o detritos, que se extiende al pie de la nuevacara libre, en una distancia mayor que la del burden original,denominada desplazamiento o spelling, debindose considerarque el volumen del material roto es mayor que el que termina insitu, lo que se denomina esponjamiento. Este aspecto esimportante para calcular el volumen de roca a transportar conlos equipos de acarreo y se estima basndose en el factor deesponjamiento de los diferentes tipos de rocas y a lasdimensiones del corte efectuado con la voladura.

d. Fisuramiento cilndrico radial

Una carga explosiva puntual (relacin longitud/dimetromximo: 6/1), es decir no mayor a 6 veces el equivalente del

dimetro del taladro, produce generalmente una excavacin enforma de copa o de crter de limitada profundidad, mientrasque un taladro convencional (largo mayor de 6 dimetros) tieneexpansin cilndrica radial en toda su longitud.

Teniendo en cuenta que la presin de gases en la detonacinva entre 9 kbar a 275 kbar alcanzando temperaturas entre 1600C (de 3 000 a 7 000F), su efecto sobre la rocacircundante a partir del eje del taladro produce tericamente lossiguientes grados de destruccin:

- A la distancia de un dimetro, pulverizacin.

- A la distancia de 1 hasta 4 5 dimetros, fisuras cada vezms dbiles y abiertas correspondientes a la zona defisuramiento radial, acompaadas de fragmentacinmenuda y media a cada vez ms gruesa.

- Ms all de los 55 dimetros es la zona de deformacin

elstica, donde las vibraciones por impacto se transformanen ondas ssmicas.

- Esta distribucin de grados de destruccin y alcancemximo del proceso de la detonacin es importante paracalcular la distancia entre los taladros de una voladura. Sies adecuada habr buena fragmentacin por interaccinentre ellos; si es muy larga slo producir craterizacin enla boca, dejando fragmentos sobredimensionados entreellos, o lo que es peor, los taladros solamente soplarn losgases sin producir rotura entre ellos.

Si el cebo iniciador est ubicado al fondo del taladro como esusual, la expansin no ser cilndrica sino que toma la forma deuna gota, lo que complica la interpretacin y el graficado delproceso. Estos conceptos, de rotura de roca se aplican a todo

tipo de taladro en superficie y subsuelo. Tambin debe tenerseen cuenta las condiciones geolgicas circundantes para inferirlos resultados. As por ejemplo las diaclasas o fisuras de otrotipo que sean paralelas al eje del taladro afectarn a laformacin de las fisuras radiales interceptndolas; por otro ladolas de tipo transversal permitirn la fuga de gasesdisminuyendo la energa e incluso afectando a otros taladroscercanos.

La interpretacin grfica del proceso de fragmentacin secomplica teniendo en cuenta la presencia de sistemas defisuras principales y secundarias: paralelos, transversales ydiagonales respecto al eje del taladro.

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FASES DE LA MECANICA DE ROTURA DE UN TALADRO CON CARA LIBRE

1. Columna Explosiva 2. Propagacin de la onda de choque

Condiciones:

a. Cargaexplosivaconfinada

b. Burdenadecuado

c. Cara libred. Taco inertee. Iniciador

suficiente

a

d

e

b

c

Condiciones:

Las ondas ofuerzas de

compresingeneradas en

el taladroviajan hacia lacara libre, lasque escapan

producenconcusin y

ondasssmicas.

3. Agrietamientopor tensin

Las ondas sereflejan en la caralibre y regresan en

forma de fuerzastensin queagrietan a la roca.Se nota ya laexpansin de losgases.

4. Rotura de expansinLos gases a alta presin se expanden rpidamente

penetrando en las grietas de tensin iniciando larotura radial y el desplazamiento de la roca.

Roturaadicional por

descostre

5. Fase final: formacin de la pila de escombros

Los gases en contacto con el medio ambientepierden fuerza y el material triturado cae al pie de

la nueva cara libre.

6. Expansin mxima (Rotura flexural)Los gases presionan al cuerpo de roca entre eltaladro y la cara libre, doblndola y creandoplanos de rotura horizontales adicionales.

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FASES DE ROTURA EN UN TALADRO CON CARA LIBRE

1. Expansin 2. Rotura radial

Grietas radiales enla superficie

3. Rotura flexural

Plano de rotura horizontaldesde la cara libre

Expansin del taladro porlos gases a alta presin

Planos de rotura paralelos al ejedel taladro (verticales)

Planos de rotura transversalesal eje del taladro

ROTURA RADIAL COMO EFECTO DE LA TRANSFERENCIA DE LA ONDA DE DETONACIONA LAS PAREDES DEL TALADRO COMO CONSECUENCIA DEL IMPACTO Y

DEL GRADO DE CONFINAMIENTO

1. Dimetro del taladro.2. Zona pulverizada.3. Zona altamente triturada.4. Zona de fisuramiento por tensin.5. Zona de deformacin elstica.

Las vibraciones por impacto setransforman en ondas ssmicas, ya sinefecto de rotura.

1 2 34 5

d 2d 5d 55d

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EFECTOS DE APLICACIN DE FUERZAS DE COMPRESION YTENSION EN ROCAS (PRUEBAS MECANICAS)

Efecto acorden como una forma factible de formacin de grietas de tensin en la roca, donde la onda dechoque (P) generada por la detonacin del explosivo confinado (E) acta como una fuerza de compresinque, desde el interior de la masa de roca, empuja a la cara libre (C), lo que provocara el estiramiento deesta masa contenida entre el taladro y la cara libre (burden), provocando rotura escalonada por tensin.

EFECTOS DE ROTURA PORCOMPRESION LIMITE

1) Prismtica o columnar, enroca dura, tenaz.

2) Piramidal o en casquetes,en roca dbil, friable.

Compresin Tensin(1) (2)

P T T P P P P

P T

(C)

P

1. Taladro de crter

e = Columna explosivat = Taco inerteL = Lmite de rotura

E = 6

FASES DE LA MECANICA DE ROTURA DE UN TALADROSIN CARA LIBRE (CRATER)

2. Detonacina = Ondas de compresinb = Ondas de tensin, sloen la cara libre superficials = Ondas de compresinque se disipan como ondasssmicas

3. ExplosinRotura en copa o crter

Efectos en la roca:1) Roca volatilizada2) Roca con fragmentacin

menuda3) Roca con fragmentacingruesa y con proyeccinhacia arriba

Efectos en el crter:A. Zona muy fracturadaB. Zona de fisurasC. Zona de deformacin elstica,

ya sin agrietamientoS. Ondas ssmicas remanentesP. Fuerte proyeccin hacia

arriba

T L

b

a

S C B 2 B C S

3

a

a

1

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Cap 1 - Explosivos

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