Voladura en Minería Superficial con Explosivos Basados en Emulsión Gasificada:!

Una revision de los conceptos y prácticas en las minas del Peru

Romel Villanueva Luján

Lima, Noviembre 2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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INTRODUCCIÓN

En Perú no se cuenta con fábricas de Nitrato de Amonio, que puedan sostener la demanda de la minería, para sus operaciones de Voladura. Este material que es la base de los explosivos basados en Anfo, se importa desde varios puntos alrededor del mundo. La Emulsión Gasificada (EG) comenzó su aplicación en Perú, como una alternativa para prescindir del nitrato de amonio grado Anfo, en un tiempo en que el precio de esta materia alcanzo niveles muy altos. Por el registro de patentes y pruebas en otros países, podemos ubicar el “nacimiento” de la emulsión gasificada en torno al año 1997, en Australia, Estados Unidos y Rusia. Se tiene documentos de pruebas en Peru desde el año 2003 y la primera publicación de su uso estándar y masivo en una mina, es del año 2008. Desde entonces han pasado siete años, y en la actualidad casi el 90% de las minas a cielo abierto emplean algún tipo de explosivo basado en emulsión gasificada. Se ha adquirido mucha experiencia, se ha investigado y se ha abierto mas posibilidades para seguir innovando. No solo en torno a la emulsión gasificada y sus mezclas, si no también nuevos explosivos que presentan propiedades “mejoradas” que dan solución a los problemas que se observado a lo largo de esta experiencia.

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1950 1965 1970 1998 2005ANFO Anfo!

PesadoAnfo !

AluminizadoEmulsion!

Gasificada (EG)EG!

Potenciada

El ANFO se diluye rápidamente en el agua y desde el principio su uso ha sido limitado a condiciones de estío o minas con poca presencia de agua. Solo unos años después de la invención del ANFO se presento la solución de mezclarlo con “Emulsión Explosiva” la cual no se diluye en el agua pero es muy poco sensible a la detonación. Las distintas proporciones de esta mezcla se conoce como “ANFO Pesado” que tiene mayor resistencia al agua pero pierde sensitividad. La “Emulsión Gasificada” surgió como una solución económica para muchas minas del Peru, este explosivo alcanza altas velocidades de detonación, del orden de 5600 m/s y tiene alta resistencia al agua y la probabilidad de producir gases nitrosos de detonación es casi nula. Para mejorar la Emulsión Gasificada se han hecho pruebas mezclándola con poliestireno para dar mas consistencia y menor contaminación o segregación por las fracturas en la roca. El poliestireno mantiene baja la densidad pero disminuye significativamente su potencia y sensibilidad. Otra alternativa ha sido adicionar un porcentaje, entre el 20% y 30% de nitrato de amonio de alta densidad (HDAN), que ademas de mejorar la viscosidad de la mezcla, mejora el volumen de gases en la detonación

I ANTECEDENTES

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II LA EMULSION GASIFICADA

Cuando se mezcla la emulsión explosiva gasificable con una solución gasificante basada en nitrito de sodio, toma lugar una reacción química que produce gas nitrógeno Nexotérmica y el calor liberado expande las burbujas de nitrógeno, tal como se observa en la figura. De acuerdo al grado de homogeneización de la mezcla, a medida que transcurre el tiempo, la reacción se intensifica y la gasificación progresa formando burbujas “vertiginosamente”, hasta alcanzar un cierto punto máximo. Después, la producción de burbujas se hace muy lenta, casi imperceptible; sin embargo la reacción continua hasta que se consuma toda la “solución gasificante”. El resultado de este proceso es una emulsión con burbujas, que se denomina Emulsión Gasificada, en adelante llamaremos simplemente “EG”.

Mezcla:  Emulsión  Explosiva  +  Solución  Gasificante

NO2 + NH 4 → N2 + H2O

Cortesia:  FAMESA Cortesia:  EXSA CIG-­‐UNT

NH4NO3 + NaNO2 —> NH4NO2 + NaNO3 NH4NO2 —> N2 + 2H2O

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2.1. CURVA DE GASIFICACIÓN

Una masa dada de emulsión, va aumentando su volumen debido a la formación de burbujas. En consecuencia, la densidad va disminuyendo a medida que progresa la reacción de gasificación. El tiempo de reacción, esta controlado por la proporción de gasificante, formulación de la emulsión y la temperatura. Con estas condiciones de contorno, mas o menos estandarizadas, se estima que el tiempo de reacción está en el rango de 18 a 25 minutos.

Cortesia:  FAMESA

Cortesia:  EXSA

CIG-­‐UNT

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2.2. GASIFICANTE Y DENSIDAD

A medida que se incrementa la dosificación de gasificante, la reacción se prolonga y la formación de burbujas continua. Aumentando cada vez el volumen y disminuyendo la densidad. La primeras regla de dedo es: !

Regla de dedo: “A mayor gasificante, menor densidad” !La dosificación de gasificante es un porcentaje mínimo; entre el 0.2% y 1.5%, dependiendo de la concentración de nitrito de sodio en la solución gasificante. Aunque, en laboratorio se puede establecer con precisión el porcentaje de gasificante; en la practica, puede variar según el sistema mecanizado de mezcla de los camiones.

CIG-­‐UNT

2.3. GASIFICACIÓN EN TERRENO

Cortesia:  ENAHI

En el campo, la mezcla y reacción química se realizan mediante un sistema mecanizado y automatizado que se conoce como “modulo de gasificación”. El elemento principal del sistema es el “Mezclador Estático” que se muestra en la figura. Cuando la emulsión pasa a través del mezclador entra en contacto con la solución gasificante. A la salida del mezclador estático, la emulsión ya sale gasificada, “sensitivizada”, hacia los taladros de voladura.

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Densidad Inicial (g/cm3): 1.36 1.15

Longitud de Carga (m) 8.2 9

Longitud de Taco (m) 6.8 6

2.4. DENSIDAD DE COPA

0:00  min. 0:20  min.Momento inicial Momento final

Dentro del taladro, continua la proceso de gasificación. Después de 20 minutos se puede decir la que la emulsión o la mezcla se encuentra sensitivizada lista para la detonación. Se toma una muestra y se mide su densidad en el momento que ha terminado la gasificación. A esta densidad se le conoce como “Densidad de Copa” y representa a la parte superior de la columna explosiva. La adecuada gasificación se debe comprobar con el aumento de volumen o longitud de la carga explosiva (Esponjamiento del explosivo). !

Regla de dedo: “A mayor gasificante, mayor esponjamiento del explosivo dentro del taladro”

0.8  m

III. MEZLAS BASADAS EN EMULSION GASIFICADA

3.1. EG con Poliestireno A la emulsión gasificada se le puede agravar una pequeña proporción de poliestireno. Sin embargo, esta materia no aporta energía química pero si aumenta la rigidez de la mezcla dentro del taladro. Su aplicación se encuentra mayormente en rocas de alta a mediana volabilidad

3.2. EG con HDAN Para mejorar su rigidez, la EG se puede mezclar con nitrato de amonio de alta densidad, el cual también puede aportar energía y sobre todo gases, en la reacción de detonación. Pudiendo aplicarse para un rango mayor de volabilidad. El costo de esta mezcla puede ser relativamente menor, debido a que no se emplea nitrato grado Anfo y puede prescindirse del combustible diesel.

3.3. EG con ANFO También es conocido como “ANFO Pesado Gasificado” (APG), donde la emulsión explosiva es gasificable. Se ha comprobado que es una mezcla explosiva de alto desempeño, en particular las mezclas 60/40 - 70/30 y 80/20. Sin embargo suele tener un mayor costo que las mezclas anteriores.

El nitrato de amonio en prills: Es un sólido no compresible.

La emulsión gasificable: Es un liquido no compresible.

El nitrógeno en las burbujas: Es un gas muy compresible.

Mayor Compresión

Mayor densidad

Las burbujas de gas se

comprimen

IV. COMPRESIBILIDAD

masa “M”volumen “V1”

V1 > V2

d1 < d2

volumen “V2”

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h1P1 ! h1 F(h)0

h1

∫ .dh

4.1. GRADIENTE DE DENSIDADES

Mayor  Profundidad   Mayor  Presión  

Mayor  Presión   Mayor  Densidad  

Mayor  Profundidad   Mayor  Densidad  

W!(taco)

DENSIDAD  DE  COPA  Y  DENSIDAD  DE  FONDOLa columna explosiva se comprime por su propio peso, y también por el peso del taco. Esto provoca la reducción de tamaño de las burbujas o la desaparición de las mismas. Por lo tanto, la densidad va aumentando con la profundidad.

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4.2. CALIDAD DE LA EMULSION Y RETENCION DE BURBUJA

La formulación de la emulsión, PH y viscosidad, influyen fuertemente en la retención de la burbuja. !La emulsión debe ser lo suficientemente acida para favorecer la reacción con el nitrito gasificante, pero no tanto para que esta reacción se tan rápida, y puedan formarse grandes burbuja que no resistan su propia presión. La viscosidad de la emulsión debe ser lo suficientemente alta para retener las burbujas (tensión superficial) pero no tanto para hacer difícil la reacción química en el mezclador estático. !Ademas, con el tiempo, la emulsión pierde el rango optimo de sus propiedades.

Perdida  de  longitud  por  perdida  de  burbujas

Formación  de  grandes  burbujas

Burbujas  pequeñas  y  uniformes

Cortesia:  FAMESA

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4.3. DENSIDAD DE FONDO

Densidad de copa 1.17 - 1.20 g/cm3

Menos burbujas

Mas burbujas

Densidad media 1.19 - 1.22 g/cm3

Densidad en el fondo 1.23 - 1.28 g/cm3

La VOD no es estable a lo largo de la columna.

En el fondo del taladro, se puede alcanzar una densidad tan alta y cercana a la crítica, que puede ser muy difícil iniciar la detonación.

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4.4. RANGO OPTIMO DE DENSIDAD

Densidad de copa 1.0 - 1.10 g/cm3

Densidad media 1.12 - 1.17 g/cm3

Densidad en el fondo 1.15 - 1.22 g/cm3

En función a la longitud de la columna explosiva, se determina el rango optimo para la densidad de copa. Que garantice un buen arranque y que la onda de detonación avance sin perdidas a lo largo del explosivo.

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V. CONTAMINACION

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5.1. SEPARADOR DE CARGA EXPLOSIVA

Se ha comprobado que, al separar la mezcla explosiva, de tal manera que no tenga contacto con el taco, eliminando la posibilidad de contaminación, se mejora la fragmentación en la zona de taco, y se puede reducir la longitud de carga.

Desaceleración  en  la  detonación

Cortesia:  CERREJON  COLOMBIA Cortesia:  COSMOS

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Una variedad de productos e ingenios se emplean para separar el explosivo del taco.

Desaceleración  en  la  detonación

Cortesia:  COSMOSCortesia:  YANACOCHA  PERU

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VI. ENERGIA DISPONIBLE - ENERGIA UTIL - TRABAJO UTIL6.1. ENERGIA DISPONIBLE

La energía disponible o potencia absoluta AWS, se calcula a partir de la ecuación química, tomando las entalpias de reacción. Esta energía depende de la naturaleza química de la sustancia. Pero como se vera mas adelante, no siempre se transforma en energía útil.

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6.2. ENERGIA UTIL

Para calcular la energía útil se toma en cuenta la velocidad con la cual progresa la detonación, en el frente de la onda de choque. Y se introduce el concepto de EFICIENCIA, de transformación de energía disponible en energía útil para realizar trabajo en el medio rocoso.

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V= 40 km/hr

V= 120 km/hr

Auto que impacta la pared a alta velocidad

Camión que impacta la pared a moderada velocidad

Mezclas basadas en Anfo: Mayor energía contenida en su masa (700-900 cal/g), pero que se libera a baja velocidad de detonación (4800-5000 m/s). Solo un 56% de su energía es energía útil para convertirse en trabajo.

Masa: 20 TM

Masa: 1.5 TM

Menor daño

Mayor daño

Mezclas basadas en Emulsión: Menor energía contenida en su masa (650 cal/g), pero que se libera a muy alta velocidad de detonación (5700 m/s). Hasta un 74% de su energía es util para convertirse en trabajo.

Por lo tanto, podemos abstraer la idea de velocidad de detonación, como una medida de la rapidez con la cual se libera la energía contenida en la masa para perturbar el medio rocoso. Y los explosivos que tienen mayor VOD aunque tengan menos energía contenida, tendrán mayor eficiencia.

CONCEPTO:  “EFICIENCIA  DE  LA  DETONACIÓN”

23Prueba del cilindro. Esen, 2005

6.3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL TRABAJO UTIL

ANFO  PESADOEG

Para comprobar experimentalmente el trabajo útil. Se emplean métodos como: - Expansion de Tubo - MacroHess (cilindros de plomo)

Prueba de Macrohess. Cortesia FAMESA

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4.0 m. 4.5 m.

5.0 m. 5.5 m.6.0 m.

Area de trabajo útil

(m2)

60

70

80

90

AP 30/70 AP 40/60 MEQ 73

La mezcla MEQ 73 realiza mayor trabajo sobre el medio rocoso, en comparación al Ap 30/70 y AP 40/60.

6.4. MODELO PREDICTIVO DEL TRABAJO UTIL

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4.5 m. 4.5 m. 4.5 m.

6.0 m. 6.0 m. 6.0 m.

Area de trabajo útil

(m2)

60

80

AP 45/55 AP 50/50 MEQ 73

84.884.884.8

La mezcla MEQ 73 realiza casi el mismo trabajo que las mezclas AP 45/55 y AP 50/50. Sin embargo, operativamente tiene mayores ventajas por su resistencia al agua y bombeabilidad.

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6.5. SIMULACION DEL CONTORNO DE DAÑO

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VOD  EN  FUNCION  DE  LA  DENSIDAD                        Para  varios  diámetros

VOD  (m

/s)

4500

4875

5250

5625

6000

DENSIDAD  (g/cm3)

0.8 0.9 1 1.1 1.2

5  3/4"6  1/8"9  7/8"12  1/4”

VII. TENDENCIA DE LA “VOD” EN RELACION A LA DENSIDAD DE COPA

En general, se ha observado a partir de las mediciones de campo, que la VOD aumenta con la densidad y con el diámetro. Pero por encima de la densidad 1.05 g/cm3 los aumentos en la VOD ya no son tan significativos. También se debe tomar en cuenta la comprensibilidad.

Densidad !(g/cm 1.16 1.12 0.90

VOD !(m/s) 5,650 5,400 5,100

VIII. RANGO DE DENSIDADES Y CARGUÍO SELECTIVO

Variando la densidad y por consiguiente la VOD, se puede hacer una entrega selectiva de la energía según la volabilidad de la roca.

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IX. VOLUMEN DE GASES Y APILAMIENTO

Si parametrizamos el Timing (retardo entre taladros/filas), la secuencia y “Burden Relief”; en dos voladuras idénticas, una cargada con EG y otra con AP 46, se observara diferencias en el apilamiento: !- Como se ha demostrado, la EG puede tener mayor trabajo útil y fragmentar mejor, en una granulometría mas fina. - Sin embargo, al detonar la EG, no libera suficiente volumen de gases para separar los fragmentos. Dando lugar a la formación de

un apilamiento mas “apretado”. - Este fenómeno puede ser favorable para reducir la probabilidad de ejecuciones (efecto cañón). Pero podría originar demoras en

excavación. - Afortunadamente, esto se puede solucionar aplicando el concepto de “Burden Relief”, con la tecnología actual de iniciación

electrónica.

EG AP  /  APG  /EG+HDAN  

Df = 3 Df = 3Df = 2.8 Df = 2.5

DENSIDAD DE COPA ESPONJAMIENTO

X. CONTROLES DE CAMPO

Cortesia:  CUAJONE

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HETEROGENEIDAD

� Seguridad� Foco en el cliente

� Integridad

� Excelencia

� Compromiso

� Confianza

VALORES DE LA EMPRESADENSIDADES INICIALES CRITICAS DE LA M.E.

QUANTEX La densidad inicial de la M.E. QUANTEX es de 1.39, esto nos asegura que la mezcla este proporcionada en un 70/30 de emulsión y mezcla nitrato-diésel, de haber alguna variación en la densidad se considerara que la mezcla se encuentra desproporcionada por exceso o por déficit de nitrato, es por ello que se tendrá como referencias las densidades de la M.E. QUANTEX en proporciones 65/35 y 75/25.

65/35 – 1.38 70/30 – 1.39 75/25 – 1.40

� Seguridad� Foco en el cliente

� Integridad

� Excelencia

� Compromiso

� Confianza

VALORES DE LA EMPRESADENSIDADES INICIALES CRITICAS DE LA M.E.

QUANTEX La densidad inicial de la M.E. QUANTEX es de 1.39, esto nos asegura que la mezcla este proporcionada en un 70/30 de emulsión y mezcla nitrato-diésel, de haber alguna variación en la densidad se considerara que la mezcla se encuentra desproporcionada por exceso o por déficit de nitrato, es por ello que se tendrá como referencias las densidades de la M.E. QUANTEX en proporciones 65/35 y 75/25.

65/35 – 1.38 70/30 – 1.39 75/25 – 1.40

� Seguridad� Foco en el cliente

� Integridad

� Excelencia

� Compromiso

� Confianza

VALORES DE LA EMPRESADENSIDADES INICIALES CRITICAS DE LA M.E.

QUANTEX La densidad inicial de la M.E. QUANTEX es de 1.39, esto nos asegura que la mezcla este proporcionada en un 70/30 de emulsión y mezcla nitrato-diésel, de haber alguna variación en la densidad se considerara que la mezcla se encuentra desproporcionada por exceso o por déficit de nitrato, es por ello que se tendrá como referencias las densidades de la M.E. QUANTEX en proporciones 65/35 y 75/25.

65/35 – 1.38 70/30 – 1.39 75/25 – 1.40

PROPORCIÓN DE MEZCLA

Una desproporción (por descalibración del camión mezclador) urde traer serias consecuencias. Sobre todo cuando se usa la mezcla con HDAN, ya que la sensitividad proviene de la EG.

Si la mezcla es heterogénea se debe detener el carguío, sobre todo cuando se use mezcla con HDAN. Esto puede dar lugar a detonación incompleta y producir humos nitrosos.

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Agua:   Se  desplaza  hacia  arriba.

Mezcla  de  EG   Se  llena  desde  el  fondo  del  taladro  con  presión.

La  manguera  se  introduce  hasta  el  fondo  del  taladro.

La  boquilla  de  la  manguera  debe  estar  ligeramente  introducida   en   la   masa   explosiva   que   se   va  cargando.

Introducir  la  manguera  y  bombear  desde  el  fondo  del  taladro.

Si  no  se  introduce  la  manguera  y  solo  se  deja  caer  el  explosivo  dentro  del  taladro,  al   impactar  con  el  agua  de  fondo,  producida  turbulencias,  lo  cual  podría  desprender  el  prill  de    nitrato  pesado  de  su  matriz  de  emulsión.

CARGUÍO DE TALADROS CON AGUA

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Df3

Df2

Df1

1. Dentro del taladro se introducen sensores de presión hidrostática, se transduce una señal eléctrica haci un dispositivo grabador en superficie.

2. El programa calcula la densidad en el nivel del sensor, en función a la presión registrada.

3. El monitoreo de presión/densidad es continuo hasta el momento del tapado y detonación.

DENSIDAD DENTRO DEL TALADRO

D3 > D2 > D3

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1. Anotar la profundidad real del taladro. 2. Anotar la cantidad exacta de carga que ingreso al taladro. 3. Medir el taco final después de completarse el

esponjamiento. 4. Calcular el volumen de carga. 5. Calcular la densidad por su definición matemática.

Df== M/V

Comprobación en campo y con las hojas de reporte de carguio …

ESTIMACIÓN DE LA DENSIDAD

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CONTROL DE LA TEMPERATURA

Las temperaturas extremas pueden afectar la gasificación. Por un lado, las temperaturas altas, mayores a 50º C hace mas rápida la reacción y expande las burbujas. Y en temperaturas bajas (-4ºC) se afecta la viscosidad y flujo laminar de la emulsión, haciendo muy difícil la mezcla y reacción.

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XI. CONDICIONES PARA UNA ADECUADA DETONACION

• Taladro bien formado • Diametro normal • Forma cilindrica • Adecuado confinamiento • Se cumple diseño de carga

• Taladro con ensanchamientos • Diametro mayor • No forma cilindrica • Confinamiento irregular • No se cumple diseño de carga

• Taladro con oquedales • Hueco con diámetro mayor • No forma cilindrica • Confinamiento no adecuado • Perdida de columna de carga

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Condiciones de terreno y operativas para una adecuada detonación …

Confinamiento adecuado.

Sensitividad suficiente

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Condiciones de mezcla explosiva para una adecuada detonación …

- EG pura: Tiene alta probabilidad de detonar completamente y la formación de humos nitros es casi improbable. Por ser una sustancia homogénea la onda de detonación viaja sin obstáculos. Solo depende de la formulación. La sensitividad esta en las burbujas de nitrógeno. !- EG con ANFO: Hay sensitividad tanto en EG (burbujas) como en el ANFO (Prill

poroso). La formación de humos nitrosos depende basicamente del Balance de Oxigeno. !- EG con HDAN: Depende mucho de una adecuada gasificación (densidad).

Porque el HDAN no aporta sensitividad. Debe cuidarse mucho que haya una adecuada proporción del nitrato de alta densidad, en la mayoría de casos estudiados, no debe ser mayor a 30%.

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AGRADECIMIENTOS

Un especial agradecimiento a todas las personas, que con su trabajo en campo en varias minas del Perú, han tenido una valiosa participación en el desarrollo de los conocimientos y experiencias que aquí se han presentado. Luego, de manera mas particular agradecemos a las personas que desde el principio han confiado en el desarrollo y beneficios de los explosivos basados en emulsión gasificada, como una alternativa en Perú. A los colegas Luis Cardenas, Hugo Lolo, Mariano Yupanqui, Juan Carlos Vasquez, Paul Urruchi, Ronald Añazco, Azucena Delgado, Mario Leon, Dino Yancachajlla, Richard Morillas, Jose Huaman, Mauro Novoa y Julio Villon. A los ingenieros de voladura que nos han dado las facilidades para hacer pruebas y procesar información en sus operaciones: Joe Rodriguez, Jesus Cruces, Yorhinio Leon, Ricardo Puerta, Telly Zuñiga y Cesar Ortiz. A las empresas Famesa, Exsa y Enahi por desarrollar tecnología y motivar la investigación e innovación en nuestro país.

Romel  Villanueva