La emulsion gasificada

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LA EMULSION GASIFICADA: UN EXPLOSIVO EFICIENTE PARA REDUCIR LOS

COSTOS DE VOLADURA A TAJO ABIERTO

Romel Villanueva Luján ASISTENCIA TÉCNICA TAJO ABIERTO FAMESA EXPLOSIVOS

Arequipa, Septiembre 2009

Paul Urruchi Huaman JEFE DE PERFORACIÓN Y VOLADURA CIA. MINERA COMARSA

Presentación

Este documento trata sobre un explosivo basado en emulsión que se sensitiviza mediante un aditivo

químico (gasificante); el explosivo alcanza su sensitividad dentro del taladro de voladura. Se

resumen aquí los resultados obtenidos en las minas: Cerro Verde, La Arena, Cuajone, Cementos

Lima, Comarsa y La Zanja. Los resultados de campo obtenidos desde el año 2008 y que han sido

presentados en la convención minera Perumin del 2009, se han analizado cuidadosamente para

enunciar las ventajas de la emulsión gasificada en voladura a tajo abierto.

!Los aspectos mas relevantes en comparación con el ANFO y Anfo Pesado son:

1º Alta velocidad de detonación, del orden de 5600 m/s.

2º Amplio rango de densidad, desde 0.80 hasta 1.20 g/cm3.

3º Inherente resistencia al agua.

4º Homogeneidad de la sustancia dentro del taladro.

5º Adecuado balance de oxigeno y no producción de gases nitrosos de detonación.

!Su manejo en campo requiere el aprendizaje de nuevos conceptos, procedimientos y practicas de

control constante. Pero su impacto en el costo de minado, así como en la seguridad y productividad,

es suficiente para reemplazar al Anfo pesado en la mayoría de minas en Perú.

Este documento tiene como fin la divulgación, incluye información general y no detallada.


Agradecimiento

Me gustaría nombrar a todas las personas que estuvieron involucradas en esta iniciativa de

cambio, pero inevitablemente entre ellas hay algunas cuya valiosa contribución no quedará

reconocida en este breve documento; debido únicamente a mi precaria memoria, desorganización y

despiste congénitos. Por eso agradezco, en primer lugar, a aquellas personas que en el terreno y en

el día a día me dieron su generosa ayuda. En seguida; agradezco a mi amigo Paul Urruchi, quien

desde el 2006 motivo las pruebas de emulsión gasificada y que luego dio las facilidades para

probarla en la mina Comarsa en el 2008; al ingeniero químico Luis Cárdenas quien desarrollo el

explosivo en los laboratorios de Famesa. A los ingenieros Juan Carlos Vásquez, Juan Carlos

Jiménez y al Sr. Arturo Nuñez por su gestión para dar a conocer las ventajas de la Emulsión

Gasificada en las minas del Perú.

A los colegas que nos dieron su apoyo para las voladuras de demostración: Dino Yancachajlla,

Azucena Delgado, Julio Villon, Joe Rodríguez, Pelayo Miranda, Fernando Valdez, Pedro Yayama,

Mariano Yupanqui y Mario León. Y a mis compañeros de trabajo de aquellos días : Richard

Morillas, Hugo Lolo, Juan Carlos Rojas, Juan Sano, Julio Accinelli, Juan Carlos Lozano, Pedro

Villanueva, Alberto Ferrer, Roberto Rosales, Guillermo Zamudio, Javier Chiclla, Carlos Mozo,

Carlos Francia y muchos amigos mas


A finales del año 2008, cuando los explosivos basados en nitrato de amonio poroso (PPAN) eran escasos y aumentaron sus precios. FAMESA Explosivos propuso la iniciativa de probar otra alternativa mas económica, la emulsión gasificada “SAN-G”. La cual no requiere del nitrato de amonio poroso ni del petróleo. Las pruebas se realizaron en la mina Comarsa, en el departamento de La Libertad, al norte del Perú. Después de dos meses de pruebas exitosas, se estandarizo su uso, al mismo tiempo que se desplegaban pruebas en otras minas, se hacían investigaciones y capacitación a todo nivel. Logrando reemplazar al Anfo pesado y dando significativos ahorros.


La emulsión matriz gasificable se combina en reacción química con una solución gasificante (a base de nitrito de sodio). Dentro de un mezclador se produce la reacción, dando como producto la emulsión gasificada que se introduce al taladro de voladura.

1.- CONCEPTO DE LA EMULSION GASIFICADA.1.1.- Reacción de dos componentes


La emulsión explosiva es del tipo agua-aceite y está compuesta principalmente por una fase oxidante (sales de nitrato) y otra fase combustible. Químicamente, está formulada para reaccionar con nitrito de sodio, que es el agente gasificante. Y físicamente esta preparada para retener burbujas de gas dentro de su masa. Es un poco mas densa que la emulsión común del Anfo pesado. Y otros aspectos como la viscosidad, balance de oxigeno, PH y tensión superficial juegan un papel importante.

1.2.- Emulsión matriz gasificable


Es una solución acuosa de nitrito de sodio, en una concentración adecuada para su estabilidad. La coloración sirve de indicador, para notar que la emulsión gasificable esta reaccionando con la solución de nitrito. Es ligeramente mas denso que el agua.

1.3.- Solución gasificante


El nitrito de sodio reacciona con el nitrato de amonio que compone la emulsión, para formar el gas nitrógeno. La rápida producción de burbujas de nitrógeno, se conoce como proceso de gasificación, o “sensitivización química”. Es una reacción exotérmica, cuya rapidez depende fuertemente de la temperatura, el Ph, la concentración de nitrito, la viscosidad de la emulsión y la homogeneización. Resultado de la reacción son las burbujas de nitrógeno que quedarán embebidas en la masa de emulsión.

NO2 + NH 4 → N2 + H2O

1.4.- Gasificación


Durante la gasificación de una masa inicial de emulsión, se va incrementando el volumen y reduciendo la densidad de la emulsión, hasta llegar a estabilizarse en un valor mas o menos constante.

1.5.- Proceso de gasificación o sensitivización. A.- Curva de gasificación.


La gasificación aumenta el volumen de la SAN-G, a este aumento de volumen se le conoce como esponjamiento y se calcula según la densidad del explosivo. El factor de esponjamiento dentro del taladro esta ligado a las condiciones del terreno como: fracturamiento, presencia de agua, ensanchamiento o imperfecciones del taladro.

B.- Esponjamiento.


Si aumentamos la cantidad de solución gasificante N-20, será mayor la producción de burbujas, la gasificación será mas rápida y la densidad final será menor.

DENSIDAD FINAL EN FUNCION DEL PORCENTAJE DE GASIFICANTE

1.6.- Influencia de la cantidad de solución gasificante.


A medida que se aumenta la temperatura se incrementa la producción de burbujas; la gasificación es mas rápida y la densidad final puede ser menor para la misma cantidad de gasificante. La temperatura actúa como un catalizador para la formación y expansión de burbujas.

1.7. Influencia de la temperatura


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"7"11"

Se han registrado y analizado estadísticamente muchas mediciones de la Velocidad de Detonación, teniendo valores máximos al rededor de 5600 m/s; realizadas en 4 diferentes diámetros de taladro. Como se ve, para densidades mayores a 1.0 g/cm3 no se tiene una diferencia significativa en la VOD.

1.8.- Velocidad de Detonación - VOD


Hay una tendencia aparente; donde la máxima VOD de la SAN-G se da cuando su densidad está al rededor de 1.0 g/cm3. La SAN-G no es un explosivo compacto, y a medida que aumenta su densidad dentro del taladro puede disminuir su sensitividad. Esto se comprueba en el fondo del taladro, donde la densidad aumenta debido a la comprensibilidad, produciendo un efecto de insensitividad en el fondo.


Cuando la sensitividad es buena en el fondo del taladro, en esta zona se tiene una VOD del orden de 5900 m/s, la cual va disminuyendo a lo largo de la columna explosiva hasta 5200 m/s en la parte superior. Se pueden ver pocas interferencias o perturbaciones en el progreso de la detonación, debido a que la SAN-G es mas que una mezcla, un sustancia homogénea.


Por un lado, a medida que aumenta la densidad, se tiene mas energía por unidad de masa contenida en el taladro. Por otro lado, a medida que aumenta la VOD, es mayor la presión y trabajo sobre el medio rocoso. En consecuencia, la energía útil se puede relacionar directamente proporcional a la densidad y al cuadrado de la VOD.

1.9.- Energía útil en función de la VOD y densidad.


EMULSION GASIFICABLE

GASIFICANTEAGUA

BOMBA 1BOMBA 2BOMBA 3BOMBA 4

MEZCLADOR ESTATICO

La emulsión gasificable es bombeada hacia un “mezclador estático” donde entra en contacto con la solución sensitivizante N-20 e inicia la gasificación. Al final del mezclador puede agregarse agua para reducir la fricción de bombeo por las mangueras. Finalmente la SAN-G sale a través de una manguera descargando desde el fondo del taladro o desde la boca del mismo. A una velocidad de flujo de hasta 400 kilos por minuto.

2.- APLICACIÓN DE LA SAN-G EN CAMPO.2.1.- Sistema de fabricación in-situ.


EL SISTEMA DE CONTROL CENTRALIZADO es una tecnología desarrollada por FAMESA. En las imágenes se muestra: 1. La pantalla de información en tiempo real, donde se muestran los caudales de cada sustancia. 2. El tablero de control simplificado, que permite actuar el carguío de taladros y controlar la

dosificación. 3. El tablero puede ser operado por un supervisor a nivel de piso o también se puede implementar en

la cabina de los camiones mezcladores.


En taladros secos se deja caer el explosivo desde la boca del taladro. El flujo de SAN-G cae axialmente hasta el fondo del taladro, de tal forma que no se descostren las paredes del taladro y provoque la contaminación del explosivo.

2.2. Carguío en taladros secos.


2.3.- Carguío en taladros con agua.

Agua: Se desplaza hacia arriba.

SAN -‐ G: Se llena desde el fondo del taladro con presión.

La manguera se introduce hasta el fondo del taladro.

La SAN – G, como toda emulsión es totalmente resistente al agua. La practica es usar la manguera enrollada; introducir la boquilla hasta el fondo del taladro y cargar al mismo tiempo que se va retrayendo la manguera sin separar la boquilla de la masa de emulsion. De esta manera el agua se desplazando hacia arriba por la fuerza de presión durante el “llenado desde abajo”. Aunque se cargue con una densidad menor a la del agua (0.9 g/cm3), la SAN-G permanece inalterada. Esto debido a la presión de bombeo, cohesión y tensión superficial de la SAN –G.


El control de la densidad de copa es ineludible y debe realizare todo el tiempo. No es necesaria mucha precisión en campo, con una balanza (de gramos) y varios depósitos calibrados se puede determinar el valor de la densidad que debe corresponder a la densidad del diseño de carga en plan de voladura. La densidad de copa, que se obtiene durante el carguío, es representativa de la parte superior del taladro. Para conocer la densidad en el fondo o la densidad media, se debe aplicar le factor de comprensibilidad de la SAN-G.

2.4.- Controles de campo. a) Densidad de copa


Para tener una idea del esponjamiento que se produce en el taladro y de las perdidas debido a las imperfecciones del terreno, se ha diseñado la técnica del tubo. De 20 a 25 minutos demora el proceso de esponjamiento completo dentro del taladro. Es muy importante verificar que se haya dado el esponjamiento y se tenga la longitud de taco de diseño. Se debe comprobar si el esponjamiento en el taladro corresponde al esponjamiento del diseño de carga en el plan de voladura.

b) Esponjamiento


El método mas confiable para medir la temperatura es mediante el termómetro convencional de mercurio, en campo también se puede usar los termómetros tipo láser. Ya hemos visto la importancia de la temperatura en la velocidad de reacción y densidad final de la SAN-G.

c) Temperatura


1. La medición en campo de la densidad de copa es determinante para el correcto desempeño de la SAN-G.

2. Se debe calibrar el sistema del camión para dosificar el gasificante correspondiente a la densidad requerida. Al inicio de su operación y se debe verificar durante todo el carguío.

1. “A mayor porcentaje de sensitivizante se tiene menor densidad de la emulsión y a menor porcentaje mayor densidad”

2. “A mayor temperatura se alcanza menor densidad de la emulsión gasificada y a menor temperatura mayor densidad de la misma”

3. Una vez obtenida la densidad de diseño se debe comprobar con cuatro mediciones mas. 4. El supervisor/operador de carguío debe identificar cualitativamente según el color y la textura de

la mezcla. 5. El supervisor/operador de carguío debe regular la dosificación de gasificante en cualquier

momento que se requiera. 6. Las paradas prolongadas del camión pueden originar una “descalibración aparente” y se

obtendrían densidades no deseadas. Pero el proceso se debe normalizar sin hacer regulaciones.

d) Reglas prácticas durante el carguío con SAN-G


La emulsión gasificable se transporta en cisternas de 25 - 30 TM. Una vez en la operación, en el almacén de agentes de voladura, es bombeada a silos de 60 TM. Desde los silos, la emulsión se descarga por gravedad hacia los depósitos del camión fabrica. El tiempo máximo de permanencia de la emulsión en los silos puede ser de hasta 90 días. La solución gasificante se puede transportar y almacenar en cilindros de plástico (de 200 Kg) y mediante una bomba o por gravedad es vertida al deposito de solución gasificante del camión.

e) Transporte y almacenamiento

GASIFICANTE


3. ASPECTOS RELEVANTES DE LA VOLADURA CON SAN-G 3.1. No produce gases nitrosos de detonación

Por estar compuesta únicamente de emulsión, cuyo balance de oxigeno es estable y no esta sujeto a las condiciones finales de la mezcla dentro del taladro (como es caso del Anfo pesado o de cualquier otra mezcla que lleve nitrato de amonio). Se favorece la detonación completa y de alto orden, como se a mostrado antes; y de esta manera se elimina la posibilidad de gases nitrosos. A saber: Los humos rojizos nitrosos (NOx) provienen de la detonación por inadecuado balance de oxigeno, mal confinamiento, mala sensitividad, diámetro critico u otras condiciones finales durante la detonación.


Durante la detonación de la SAN-G se produce menor volumen de gases y esto puede beneficiar eliminando la posibilidad de un desplazamiento excesivo de los fragmentos de roca. Y reduciendo también la probabilidad de flyrock. !Se ha comprobado que las voladuras con SAN-G producen un apilamiento de menor altura que cuando se usa Anfo. !Aunque las variables que gobiernan directamente el apilamiento y flyrock son: la retención del taco y la secuencia de iniciación.

3.2. Reduce la eyección y flyrock

100 m.

Antes de la voladura

Después de la voladura


3.3. Resistencia al fuego

La emulsión ha sido sometida a la prueba del fuego para comprobar que solo se quema lentamente y no hay riesgo de detonación. Se ha usado, para la prueba, la emulsión antes y después de su gasificación. En las imágenes puede verse la incineración, de una cantidad de emulsión, en el campo de pruebas.


3.4. Resistencia al agua

La prueba de resistencia al agua se realizo con agua estática y dinámica. En el primer caso la emulsión permaneció durante 5 días bajo el agua, manteniendo sus propiedades físicas. En el segundo caso se hizo pasar un flujo de agua a 5 litros/minuto a través de la columna explosiva; y después de 24 horas, naturalmente se observaron desplazamientos o perdida de masa de emulsión fuera de la columna. Sin embargo dada su viscosidad se a observado que la cantidad y velocidad de esta perdida es mucho menor que para el Anfo. Ante el agua dinámica, cualquier explosivo a granel será desplazado fuera del taladro, teniendo necesidad de encapsular en tubos o mangas.


3.5. Resistencia al impacto

Se realizo la prueba de impacto para comprobar que la SAN-G cumple con la Norma técnica peruana para Resistencia al impacto de emulsiones explosiva NTP 311 .371-3. Resiste el impacto de una pesa de 5 Kg, que cae desde una altura de 1.0 m.


3.6. Resistencia a las bajas temperaturas

Nº TIEMPO DE RESISTENCIA 24 HORAS 3 DIAS 8 DIAS

1 DENSIDAD DE MATRIZ (g/cm 1,37 1,37 1,37

2

GASIFICACIÓN TIEMPO (min)

DENSIDAD (g/cm

DENSIDAD (g/cm

DENSIDAD (g/cm

0 1,37 1,37 1,37

20 1,23 1,23 1,16

45 1,16 1,13 1,14

3 Ø DEL TUBO Ø 4” x 50 cm Ø 4” x 50 cm Ø 4” x 50 cm

4 TEMPERATURA AL MOMENTO DE LA DETONACION -25ºC -33ºC -32ºC

5 VELOCIDAD DE DETONACION (m/s) 5208 4761 4975

6 DENSIDAD EN LA BOCA DEL TUBO (g/cm3 1,10 1,06 1,08

7 INICIADOR (cebo) BOOSTER HDP - 01

BOOSTER HDP - 01

BOOSTER HDP - 01

Para su uso final en minas donde la temperatura ambiente sea muy baja, por debajo del cero, se comprobó la detonación de la SAN-G a una temperatura de -33 ºC, en cargas cilíndricas de 4” de diámetro y a una densidad de 1.13 g/cm3; dando como resultado una detonación normal y VOD de 5000 m/s.


Resistencia de una columna de SAN-G al peso de 5 m de detritus en tubo de ø 8”, durante 72 horas; se mantiene la densidad local, en la zona de taco, de 1.05 – 1.08 g/cm3. Longitud de carga: 9.5 m Longitud que desciende la carga por efecto del peso 35 cm. Se ha comprobado que este efecto no presenta dificultades para la detonación; aunque puede eliminarse completamente la contaminación, usando accesorios separadores entre el explosivo y el material de taco.

3.6. Resistencia al peso del taco


33

RESULTADOS DE APLICACIÓN

Consumo y Factor de Potencia

Usando SAN-G con una densidad entre 0.9 - 1.0 g/cm3. Se han obtenido menores consumo de explosivo y buenos resultados de voladura en comparación con el Anfo pesado. Como se muestra en el diagrama comparativo, el factor de potencia con Anfo fue de 0.44 Kg/TM y ahora con SAN-G es de 0.34 Kg/TM, esto es una reducción del 23%. En el tiempo, se puede apreciar el impacto de la reducción del factor de potencia, como se muestra en el gráfico de barras.


Por su alta VOD y mayor energía útil, la SAN-G ha tenido excelentes resultados de fragmentación. Impactando positivamente sobre la granulometría, reduciendo el P90 desde 4.8” hasta 4.0” (un 16%), lo cual se traduce en una mejora de la productividad en excavación, acarreo, chancado y recuperación que también deben cuantificarse.

Fragmentación y Granulometría


Impacto en el Costo de Voladura

Ademas de sus beneficios técnicos y su menor consumo, la SAN-G es una alternativa económica debido a su bajo precio, por no incurrir en otros costos de nitrato de amonio poroso y combustible. Ademas de otros costos relacionados al transporte y almacenamiento, se ha demostrado que se puede prescindir del nitrato de amonio poroso, manteniendo los buenos resultados de voladura. El gráfico de barras muestra la evolución en los costos unitarios de voladura, con una reducción de hasta el 18% desde la aplicación de la SAN-G.


OTROS ASPECTOS IMPORTANTES DE LA EMULSION GASIFICADA

✓ Ya no se usan grandes almacenes de nitrato de amonio. ✓ Ya no se consume petróleo. ✓ Ya no se tiene riesgo de inflamación del nitrato de amonio o el petróleo. ✓ Se simplifica el proceso de fabricación de explosivo. ✓ Se reduce el tiempo de reabastecimiento (solo emulsión) y aumenta la

productividad de carguío. ✓ No se producen gases nitrosos en la detonación. ✓ Se reduce la posibilidad de Fly rock, debido a su menor volumen de gases.


CONCLUSIONES

1. En cuanto a la fragmentación, usando SAN-G se tiene una granulometría igual o mejor que con el tradicional ANFO pesado, en la mayoría de casos, el P90 se ha reducido entre 10% y 16%.

2. Los costos de voladura se han reducido en un 18%, lo cual esta directamente relacionado con la reducción del factor de potencia y el precio de venta de la emulsión.

3. La SAN-G es un explosivo amigable con el medio ambiente, por no generar gases nitrosos. 4. La SAN-G es una alternativa mas segura. Por eliminar el nitrato de amonio y el combustible

diesel, se eliminan tambien los riesgos de inflamabilidad en los almacenes. Y tambien al reducir la probabilidad de flyrock.

5. Otros aspectos relacionados con el almacenamiento y transporte de una sola sustancia y su gasificante mejoran la productividad de las operaciones de voladura.


MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION

La emulsion gasificada

Engineering

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