Perforación y tronadurasTema 2. Explosivos

1)Definición de explosivo2)Composición de los explosivos3)Tipos de reacción según la cinética química4)Mecanismo de la detonación5)Presión de la detonación6)Propiedades y características de los explosivos7)Sustancias explosivas8)Explosivos industriales9)Sistemas de iniciación

Índice del tema

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Definición de explosivo

Los explosivos industriales están constituidos por una mezcla de sustancias (unas combustibles y otras oxidantes) que debidamente iniciadas, dan lugar a una reacción química muy rápida que libera gran cantidad de energía para romper la roca

Esta reacción química se llama detonación y origina gases a muy alta presión y temperatura, los cuales generan a su vez una onda de compresión que recorre el medio

En resumen, el fundamento es que la energía química contenida en el explosivo se transforma en la energía mecánica de la onda de compresión generada

Contrario a lo que se suele pensar, 1 kilogramo de un explosivo convencional contiene aproximadamente la décima parte de la energía contenida en un litro de gasolina…la clave de su poder es la capacidad de liberar esa energía en un corto periodo de tiempo

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Composición de los explosivos

La mayoría de los explosivos industriales utilizan nitratos como oxidantes, siendo el nitrato de amonio el material básico. También se usa sodio, calcio, potasio, aminas y hexaminas

Los combustibles básicos incluyen el C y el H, ya que reaccionan con el O para liberar grandes cantidades de energía

En general y de manera muy simple, existen dos tipos de explosivos:

• Moleculares

• Compuestos

Los explosivos moleculares tienen O y combustible dentro de las mismas moléculas. Su ventaja es que oxidantes y combustibles están en contacto íntimo, de manera que la reacción se lleva a cabo de manera extremadamente rápida, y generalmente es completa. El trinitrotolueno es un ejemplo de este tipo de explosivos

Los explosivos compuestos contienen oxidantes y combustibles en diferentes moléculas o en diferentes compuestos. Al estar separados, la reacción se lleva a cabo mucho más lentamente que en un explosivo molecular. El ANFO es un ejemplo de este tipo de explosivo

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Tipos de reacción según la cinética química

El impulso energético aplicado a las moléculas de un explosivo genera fuerzas que superan las de atracción entre los átomos, haciendo que las moléculas se disocien y se reagrupen en formas más estables. La energía liberada en esta reacción exotérmica, en forma de onda de presión y alta temperatura, provoca la sucesiva disociación de las moléculas adyacentes, de forma que la reacción se propaga a todas las partículas

Las reacciones de oxidación pueden dividirse en tres tipos en función de la velocidad a la que se producen

• Combustión

• Deflagración

• Detonación

La combustión es una reacción química de oxidación en la que generalmente se desprende una gran cantidad de energía. La velocidad de reacción es menor a 1 m/s y se puede observar a simple vista a través de la llama

La deflagración es una combustión súbita con llama a baja velocidad, sin que haya explosión. Se suele asociar erróneamente a la explosión, usándose como sinónimo

La reacción producido es idéntica a la combustión, pero la cinética se desarrolla a una velocidad mayor, pero inferior a la velocidad del sonido, es una reacción subsónica

La onda de presión generada es del orden de 103 atm. Es el caso de la pólvora

La detonación es una combustión supersónica que se caracteriza porque se genera una onda de choque. En ese frente de onda se generan altos gradientes de presión y temperatura, ya que la reacción química se produce instantáneamente

La velocidad de reacción está entre 1.500-9.000 m/s, y la onda de presión producida en el orden de 105 atm. La dinamita es un explosivo que detona

La circunstancia que parece determinar que proceso tendrá lugar, si deflagración o detonación, es el sentido del movimiento de las moléculas gaseosas que son producto de las primeras reacciones

Para la detonación, estas se mueven en el mismo sentido de la propagación, potenciándola

En el caso de la deflagración, lo hacen en sentido contrario, atenuándola

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Mecanismo de la detonación

Partiendo de una carga cilíndrica que se detona por uno de sus extremos, se distinguen las siguientes zonas

(1) Una zona de explosivo que todavía no ha detonado

(2) Una zona de reacción primaria que se propaga a una velocidad de varios miles de m/s (velocidad de detonación), en la cual ocurren las reacciones más rápidas y violentas. Este movimiento se propaga en forma de onda de choque de muy alta presión (presión de detonación) a todo el medio

(3) Una zona de reacción secundaria donde se acumulan los productos de explosión que son más lentos en su desplazamiento que las ondas de choque, y se producen una serie de reacciones complementarias que originan gran parte de los gases producidos. Se caracteriza por una presión inferior a la anterior, que se denomina presión de explosivo o presión de burbuja, originada por la expansión de todos estos productos gaseosos

(4) La superficie que separa las zonas primaria y secundaria, que no es exactamente plana, se conoce como plano de Chapman-Jouguet

La composición y características del explosivo determinan la velocidad de detonación y las presiones de burbuja y

detonación

Un explosivo a base de nitroglicerina tendrá alta velocidad de detonación y alta presión de detonación, en cambio, el bajo volumen de gases que produce su detonación, implica que la presión de burbuja también lo sea

Un explosivo a base de nitrato amónico tiene una detonación más lenta pero produce mayor cantidad de gases, por lo tanto, tiene una presión de detonación más baja pero una presión de burbuja más alta

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Presión de detonación

La presión de detonación viene dada por la fórmula

Las detonaciones producen vibraciones en el subsuelo que pueden causar daños en las estructuras circundantes debidos a los esfuerzos y deformaciones de tipo dinámico que se superponen a los estáticos

d: densidad de explosivov: velocidad de propagaciónu: velocidad de vibración de partícula, generalmente 0,25v

Teniendo en cuenta las unidades empleadas, la fórmula puede expresarse de la siguiente manera

Así, se puede establecer que:

d: densidad de explosivov: velocidad de propagación

Presión de detonación Pd es proporcional a (v2, d)Presión de burbuja Pe es proporcional a (d, química, calidad explosión)

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Propiedades y características de los explosivos

La selección del explosivo adecuado para un objetivo determinado implica, obviamente, conocer las características de cada explosivo. Las características básicas de un explosivo son:

1. Potencia explosiva

2. Poder rompedor

3. Velocidad de detonación

4. Densidad

5. Diámetro crítico

6. Masa crítica

7. Resistencia al agua

8. Calidad de los humos

9. Toxicidad

10. Estabilidad química

11. Calor de explosión

12. Balance de oxígeno

13. Sensibilidad

1. POTENCIA EXPLOSIVA

Se define como la capacidad del explosivo para quebrantar y proyectar la roca. Se trata de la energía del mismo que se aprovecha en la tronadura, y depende casi exclusivamente de la composición del explosivo

Los métodos más empleados para determinar la potencia explosiva son:

• Péndulo balístico

• Energía relativa por unidad de peso y volumen

El péndulo balístico (o mortero balístico) permite medir la potencia de un explosivo en comparación con la goma pura (mezcla de nitroglicerina NG y nitrocelulosa NC en una determinada proporción), que se utiliza como patrón asignándole un valor del 100 %

La energía relativa por unidad de peso y de volumen es un procedimiento teórico basado en el valor energético químico del explosivo.

Se puede expresar como:

- AWS: energía absoluta por unidad de peso (cal/g)

- ABS: energía absoluta por unidad de volumen (cal/cm3)

A partir de estos valores, se obtiene la energía relativa por unidad de peso (RWS) y por unidad de volumen (RBS) respecto al ANFO (Ammonium Nitrate + Fuel Oil), al que se le asigna el valor de 100

Si estas relaciones se establecen respecto al trabajo útil (parte de la energía que se aprovecha hasta llegar a una presión de 200 atm, valor para el que se considera que ya no se produce trabajo contra la roca), se llega a las expresiones:

Donde AEWS y AEBS son el trabajo útil absoluto por unidad de peso y de volumen del explosivo, y AEWSANFO y AEBSANFO son el trabajo útil absoluto por unidad de peso y de volumen del ANFO

2. PODER ROMPEDOR

El poder rompedor es una característica del explosivo que indica la capacidad de fragmentar la roca debido exclusivamente a la onda de detonación y no al conjunto de onda de detonación + presión de gases (medida de potencia)

Es un parámetro muy importante para explosivos cuyos gases no pueden ejercer grandes presiones. Se caracteriza mediante el método de Hess, en el que se determina la reducción de altura que provoca la detonación de una cantidad de explosivo definida en un cilindro de plomo

3. VELOCIDAD DE DETONACION

La detonación de una cantidad de explosivo conlleva su transformación en un volumen de gases a elevada temperatura y presión. La velocidad a la que se produce esta transformación se mide en m/s

Muy importante distinguir entre velocidad de detonación (reacción química) y onda de choque (transmisión física)

Criterio elección:

Veloc. detonación lenta → Rocas blandas y fragmentación gruesa

Veloc. detonación rápida → Rocas duras y fragmentación intensa

Existen ensayos de laboratorio y de campo para medir esta velocidad. Los experimentos en campo permiten comprobar la evolución de la velocidad a lo largo del barreno y estudiar el comportamiento del explosivo en condiciones reales de aplicación

Ensayos de laboratorio

Para este ensayo, se coloca una muestra cilíndrica de explosivo en un cilindro de acero para ejercer cierto grado de confinamiento. Sobre la muestra se colocan dos sensores de fibra óptica separados a una distancia conocida conectados a un receptor

Cuando detona el explosivo, se puede obtener el tiempo que tarda la detonación en recorrer la distancia entre los dos sensores

Este tipo de ensayos tiene la ventaja de que se realizan de forma rápida y sencilla

Ensayos de campo

En los ensayos de laboratorio no pueden emplearse cantidades similares a las de un barreno en una tronadura. Por ello, se han desarrollado métodos de medida continua de la velocidad en campo por medio de sondas colocadas en el interior del barreno que recogen las variaciones de velocidad a lo largo del mismo

Para ello, se coloca un cable con una resistencia calibrada a lo largo del barreno cortocircuitando su extremo inferior. El otro extremo se conecta a un generador de corriente continua, logrando así un circuito del que podemos conocer su resistencia

Durante el ensayo, el equipo de registro está grabando los valores de resistencia. Cuando se detona el barreno, la resistencia del circuito va disminuyendo porque la sonda se va quemando con el explosivo

Como la resistencia está calibrada, se puede obtener la variación de la resistencia del circuito en función del tiempo y expresarla en forma de velocidad de detonación

4. DENSIDAD

Depende del tipo de componentes del explosivo. Cuanto mayor es la densidad del explosivo, la concentración de carga para un barreno es mayor

La densidad relativa de los explosivos varía entre 0,8 y 1,5. Es un parámetro a tener en cuenta para cargar barrenos con agua en su interior. Cargar explosivos de densidad inferior a 1,1 g/cm3 en barrenos con agua resulta muy complicado ya que estos tienden a flotar

5. DIÁMETRO CRÍTICO

Es el diámetro de una carga cilíndrica por debajo de la cual no se propaga la onda de detonación, o lo hace a una velocidad muy inferior a la nominal

6. MASA CRÍTICA

Es la mínima cantidad de explosivo que se necesita para que se produzca la detonación por efecto de una llama

7. RESISTENCIA AL AGUA

Es una característica por la cual un explosivo, sin necesidad de protección especial, mantiene sus propiedades inalterables durante un periodo de tiempo en contacto con el agua

Los productos pulverulentos y ANFOS no resisten el agua por el carácter soluble del nitrato amónico

Las dinamitas gelatinosas, hidrogeles y emulsiones resisten perfectamente cuando se cargan barrenos con agua

Cuando el explosivo debe usarse bajo agua, ha de tenerse en cuenta que no sólo aguante la presencia de agua, también debe mantener su sensibilidad de iniciación y propagación

Si los barrenos presentan humedad, se pueden emplear siempre que el tiempo de permanencia sea breve o se realice el encartuchado si se trata de explosivos a granel como el ANFO

8. CALIDAD DE LOS HUMOS

Los humos residuales resultantes de la detonación contienen vapores nitrosos (NOX), vapor de agua, monóxido de carbono (CO) y anhídrido carbónico (CO2)

La composición de los explosivos industriales limita el contenido de gases nocivos (CO y NOX) de los humos, sin embargo, nunca se debe acceder a las inmediaciones de un frente después de la tronadura sin tener la seguridad de que se han ventilado bien los gases, especialmente en minería subterránea y túneles

9. TOXICIDAD

Los glicoles nitrados, como la nitroglicerina, son vasodilatadores y causan dolor de cabeza por inhalación o absorción cutánea

En contacto con la piel, pueden causar alteraciones como dermatitis. Su manipulación debe realizarse tomando las debidas precauciones

10. ESTABILIDAD QUÍMICA

La estabilidad química de un explosivo es su capacidad para mantenerse químicamente inalterado con el paso del tiempo. Si las condiciones de almacenamiento y el periodo de almacenamiento son adecuados y correctos, tendremos un producto seguro. Almacenamientos prolongados y/o en malas condiciones de humedad, temperatura y ventilación pueden facilitar su descomposición

Un explosivo muy higroscópico (absorbe y retiene humedad) puede ver afectada su estabilidad. La nitroglicerina puede descomponerse en ácido nítrico y nitroso, con peligro de detonación espontánea

11. CALOR DE EXPLOSION

La adición de ciertos elementos a la formulación de algunos explosivos, por ejemplo, el polvo de aluminio, proporciona un notable incremento del calor de reacción

12. BALANCE DE OXÍGENO

Los elementos que generalmente constituyen un explosivo (C, N y H) deben dar, en teoría, como productos de la detonación: nitrógeno gas, dióxido de carbono y vapor de agua

La reacción correspondiente al ANFO es:1) 3 NH4NO3 + CH2 → 7H2O + CO2 + 3N2 + 940 cal/gEste supuesto corresponde a la composición 94,5 % de nitrato de amonio y 5,5 % de fuel-oil. Si cambiaran los porcentajes:

2) 2 NH4NO3[90%] + CH2 [8%]→ 5H2O + CO + 2N2 + 820 cal/g

3) 5 NH4NO3[96,6%] + CH2 [3,4%] -> 11H2O + CO2 + 4N2 + 2NO + 610 cal/g

1) 3 NH4NO3 + CH2 → 7H2O + CO2 + 3N2 + 940 cal/g

La reacción 1) corresponde al caso en que la cantidad de oxígeno que reacciona es la estrictamente necesaria para la oxidación completa del C y del N. A esta reacción corresponde el mayor calor de explosión

Las reacciones 2 y 3 corresponden a formulaciones con defecto o exceso de oxígeno sobre el teórico necesario, además, generan menor calor de explosión y liberan mayor cantidad de gases tóxicos

Al déficit o superávit de oxígeno que tiene un explosivo en su formulación química, expresado en % sobre el teórico necesario, se denomina “balance de oxígeno”. El balance de oxígeno afecta a la potencia del explosivo y a la producción de humos tóxicos

2) 2 NH4NO3[90%] + CH2 [8%]→ 5H2O + CO + 2N2 + 820 cal/g

3) 5 NH4NO3[96,6%] + CH2 [3,4%] -> 11H2O + CO2 + 4N2 + 2NO + 610 cal/g

13. SENSIBILIDAD

Se define la sensibilidad de un explosivo como el mayor o menor grado de iniciación que hay que transmitirle para que se produzca su iniciación y, a continuación, su detonación

Se pueden considerar tres aspectos respecto a su iniciación

- sensibilidad al detonador

- sensibilidad a la onda explosiva

- sensibilidad al choque y al rozamiento

Sensibilidad al detonador

Los explosivos industriales se inician mediante la detonación de una pequeña carga de explosivo de alta potencia. Esta carga puede estar en un detonador, en un cordón detonante o en un multiplicador según el procedimiento empleado

Sensibilidad a la onda explosiva

Esta característica consiste en la capacidad de transmisión de la detonación entre los cartuchos de explosivo, ya sea colocados en línea uno a continuación del otro o separados entre sí por una determinada distancia. Este hecho se denomina “detonación por simpatía”

Los ensayos se realizan con cartuchos colocados al aire o sobre una placa de hierro mediante un procedimiento normalizado

Sensibilidad al choque y al rozamiento

Algunos explosivos se inician cuando son sometidos a acciones de impacto o fricción. Esta característica viene delimitada mediante ensayos, de manera que todos los explosivos soportan unas sensibilidades mínimas

Para establecer la sensibilidad al choque, se realizan ensayos normalizados que consisten en dejar caer un martillo sobre la muestra para determinar la altura de caída mínima que produce la detonación de la muestra

Para determinar la sensibilidad al rozamiento, hay ensayos normalizados que determinan la fuerza mínima de rozamiento que es capaz de soportar el explosivo sin que se produzca su detonación

14. ENSAYOS ESPECÍFICOS DE EXPLOSIVOS DE SEGURIDAD

Los explosivos que se utilizan específicamente en minería del carbón necesitan clasificarse como de seguridad, para ello se someten a una serie de pruebas

Estos ensayos se realizan con atmósferas explosivas en una galería de ensayo que consta de una cámara de explosión (simula las condiciones introduciendo metano y polvo de carbón) y de una cámara de expansión (dirigir la salida de los gases o llamaradas). Para simular los barrenos, se utilizan cilindros de hierro denominados morteros

Los tipos de pruebas que se realizan son:

-Mortero largo: representa una carga disparada sin retacado en una atmósfera con un 9 % de metano

-Mortero corto con o sin placa: este ensayo representa la existencia de una carga debidamente separada de una posible bolsa de grisú y el consecuente comportamiento del explosivo

-Cargas suspendidas: las cargas se disponen colgadas en el interior de la galería y longitudinalmente con ella. Se pretende representar una carga que detona al aire

-Mortero de esquina: se intenta representar el fenómeno de inflamación del grisú por reflexión de la onda de choque y gases de explosión contra un objeto duro, como las paredes de una galería

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Sustancias explosivas

Las sustancias explosivas son sustancias químicas susceptibles de reaccionar violentamente al disociarse sus moléculas y reagruparse posteriormente en formas más estables

Pueden establecerse tres categorías según la magnitud del impulso energético necesario para iniciar su detonación

1. Sustancias explosivas primarias o iniciadoras

2. Sustancias explosivas secundarias

3. Sustancias no explosivas susceptibles de detonar

1. SUSTANCIAS EXPLOSIVAS UTILIZADAS COMO INICIADORES

Son aquellas que, debido a la debilidad de sus enlaces, son altamente sensibles e inestables. Tienen una pequeña masa crítica

Se utilizan en la fabricación de detonadores, como el fulminato de mercurio y la azida de plomo. Otra sustancia que se emplea es el trinitrorresorcinato de plomo, que se emplea combinado con los anteriores para aumentar su sensibilidad

2. SUSTANCIAS EXPLOSIVAS SECUNDARIAS

Son sustancias explosivas para cuya detonación se requiere una mayor cantidad de explosivo o impulso energético que las anteriores. Se utilizan de carga base en los detonadores, como cebos para iniciar explosivos de baja sensibilidad y como parte de la composición de muchos explosivos industriales

Las más importantes son la nitroglicerina, el nitroglicol, el trinitrotolueno, la pentrita y la nitrocelulosa

La nitroglicerina es altamente sensible al choque y a la fricción debido a la debilidad del enlace N-O y a la reactividad de los grupos NO2 que coexisten próximos entre sí

Si se expone al aire, puede descomponerse por hidrólisis liberando HNO3 en una reacción exotérmica que puede producir su inflamación y detonación espontánea, lo que da idea de su inestabilidad

Tiene una densidad relativa de 1,6 y su balance de oxígeno es positivo. Detona según la siguiente reacción:

4 C3H5(NO3)3 → 12CO2 + 10H2 + 6N2 + O2 + 1500 cal/g

Tiene una presión de detonación de casi 250.000 atm y una velocidad teórica de detonación de casi 8.000 m/s

El nitroglicol es un elemento que, debido a su bajo punto de congelación (-20 ºC), se añade a la nitroglicerina para bajar el punto de congelación de la misma

El trinitrotolueno (TNT, trilita) es menos sensible que la nitroglicerina por la menor debilidad del enlace N-C y la mayor separación de los grupos NO2. También es más estable por no sufrir hidrólisis

La pentrita (tetranitrato de pentaeritritol) es un explosivo bastante estable por su estructura simétrica. Presenta un aspecto pulverulento y de carácter higroscópico

Su velocidad de detonación es del orden de 8.000 m/s y su fórmula química es C(CH2ONO2)4

La nitrocelulosa es una mezcla de esteres nítricos, normalmente con un 11-15 % de nitrógeno, que insensibiliza en parte a la nitroglicerina y se gelatiniza al mezclarse con esta o con el nitroglicol. Se emplea para estabilizar la nitroglicerina de modo que pueda emplearse de manera segura

3. SUSTANCIAS NO EXPLOSIVAS SUSCEPTIBLES DE DETONAR

Son sustancias no explosivas, pero que en determinadas circunstancias y ante un impulso energético lo suficientemente grande (como la detonación de otro explosivo), son susceptibles de detonar

El más usado es el nitrato amónico (muy usado en agricultura), sin embargo, se le suele añadir un elemento combustible que corrige su balance positivo de oxígeno y forma parte de la mayoría de los explosivos comerciales actuales

Es un producto inerte y muy seguro de manejar, ya que se sensibiliza añadiéndolo un 5-6 % de peso en gasoil. Es un producto muy barato. Su principal inconveniente es su alta higroscopicidad y solubilidad en agua, quedando inutilizado

El calor de explosión del nitrato amónico puro es solo 380 cal/g, pero si se le añade el combustible puede superar las 900 cal/g

El nitrato amónico es blanco y se presenta en forma granular (prills) de 1 mm de diámetro

Las diferencias entre el NA usado como fertilizante y el usado para fabricación de explosivos son:

• Absorción: el empleado para explosivos tiene mayor absorción para que la mezcla con gasoil se produzca de manera más íntima, es decir, que el gasoil penetre en la partícula de nitrato amónico en mayor porcentaje y quede menor gasoil libre en la mezcla

• Granulometría: el NA empleado en explosivos tiene un menor tamaño de prill y es más redondeado y regular para que el producto sea más homogéneo y la reacción sea completa

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Explosivos industriales

Los explosivos industriales están constituidos por una mezcla de sustancias (combustibles y comburentes), que debidamente iniciados dan lugar a una reacción química cuya característica principal es su rapidez

Esta velocidad define el régimen de reacción, que debe ser régimen de detonación

La reacción generada produce gases a alta presión y temperatura

Cada tipo de explosivo tiene una composición específica y definida. Así, sus características son diferentes, y en consecuencia, cada explosivo tiene una aplicación diferente en función de las necesidades de la tronadura

Los explosivos industriales pueden clasificarse según su composición y su tecnología de mezcla en:

1. Dinamitas (gelatinosas y pulverulentas)

2. ANFOS

3. Hidrogeles

4. Emulsiones

5. Explosivos de seguridad

6. Pólvora

1. DINAMITAS

Este tipo de explosivo se obtiene al mezclar nitroglicerina (o nitroglicol) con nitrocelulosa, siendo esta mezcla aún más energética que la propia nitroglicerina

Fue inventada por Alfred Nobel en 1867 sustituyendo rápidamente a la nitroglicerina en aplicaciones industriales, minería y en armamento

Dentro de la familia de las dinamitas, se pueden distinguir dos tipos diferentes en función de su composición:

• Gelatinosas

• Pulverulentas

Las dinamitas pulverulentas están compuestas básicamente por nitrato amónico y un elemento desencadenante de la reacción explosiva que suele ser nitroglicerina (aprox 10 %). Algunos productos, además de la nitroglicerina, llevan trinitrotolueno

Su consistencia es pulverulenta, por lo que su resistencia al agua es mala si no se le añade un producto impermeabilizante

Presenta las siguientes características:

• Baja potencia

• Densidad media/baja (1,0-1,2 gr/cm3)

• Mala resistencia al agua

• Velocidad de detonación de 2.000-4.000 m/s

• Poca sensibilidad al choque o a la fricción

Son explosivos recomendables en rocas de dureza media-baja sin presencia de agua

Las dinamitas gelatinosas reciben su nombre por su consistencia. Se obtienen al mezclar nitroglicerina o nitroglicol con nitrocelulosa, que actúa como gelificante formando una pasta gelatinosa

Existen diversas composiciones en función de su contenido en nitroglicerina (o nitroglicol), todas ellas se caracterizan por:

• Elevada potencia

• Densidad alta (1,4-1,5 gr/cm3)

• Excelente resistencia al agua

• Alta velocidad de detonación (5.000-7.000 m/s)

• Cierta sensibilidad al choque o a la fricción

Son explosivos recomendables en rocas de dureza media-alta, así como para la carga en fondo de barrenos, además de ser imprescindibles en voladuras submarinas y adecuadas en lugares con agua

2. ANFO

Con el objetivo de reducir el contenido en nitroglicerina (o nitroglicol) del explosivo para incrementar su seguridad, surgieron los explosivos tipo ANFO (Ammonium Nitrato + Fuel Oil). Están compuestos por aproximadamente un 94 % de nitrato amónico que actúa como oxidante y un 6 % de diesel que actúa como combustible

Presenta las siguientes características:

• Baja/media potencia

• Densidad muy baja (0,8 gr/cm3)

• Mala resistencia al agua, el nitrato amónico es soluble al agua

• Baja velocidad de detonación (2.000-3.000 m/s)

• No son sensibles al detonador, necesitan otro explosivo para iniciarse, que puede ser cordón detonante, cebos de dinamita gelatinosa, cartuchos de hidrogel o multiplicadores

Debido a su consistencia granular y a la solubilidad del nitrato amónico, no resisten al agua y no pueden emplearse en barrenos con agua

Por el contrario, su consistencia granular hace que sea muy fácil de cargar de manera mecanizada. Generalmente, este producto se comercializa a granel, tanto ensacado como expedido en camión tolva para su uso directo

En ocasiones, se introduce cierta cantidad de polvo de aluminio metal, cuya oxidación durante la detonación incrementa el calor de explosión, y por tanto, la potencia del explosivo. Así, se obtiene el ALANFO (Aluminium + Ammonium Nitrate + Fuel Oil)

3. HIDROGELES

Para mejorar la resistencia al agua de explosivos a base de nitrato amónico, se desarrollaron los slurries o papillas explosivas. Se trata de explosivos compuesto por un elemento oxidante (NH4NO3 o NaNO3) y otro que actúa a la vez como sensibilizador y combustible, que puede ser un explosivo (TNT), un metal (Al) o una sal orgánica (Nitrato de Monometilamina o Nitrato de Hexamina)

Los componentes están dispersos en una solución saturada de NH4NO3 o NaNO3 (12-15 % de agua). A esta mezcla se le sueñe añadir un conjunto de sustancias espesantes, gelificantes y estabilizantes

Presenta las siguientes características:

• Elevada potencia

• Densidad media/alta (1,2-1,3 gr/cm3)

• Excelente resistencia al agua

• Velocidad de detonación de 3.500-4.000 m/s

• Menor sensibilidad a la fricción o al impacto

Estos productos pueden no llevar ningún producto que sea explosivo de por sí en su composición. Reaccionan de forma explosiva en el momento que se inician con el detonador, cordón detonante o multiplicador. Sus características más notables son su elevada potencia, excelente resistencia al agua y gran seguridad en el manejo y transporte. Se pueden presentar en forma encartuchada o incluso pueden ser bombeados a granel

Se emplean para fragmentar rocas de dureza media-alta con presencia de agua

4. EMULSIONES

En la misma línea de búsqueda de explosivos potentes de máxima seguridad que puedan usarse en agua, se han desarrollado emulsiones

Consisten en una fase dispersa formada por pequeñas gotas de disolución de NH4NO3 o NaNO3 en agua, que están rodeadas de una fina película de 10-4 mm de aceite mineral (fase continua). Por tanto, se trata de explosivos compuestos básicamente por nitrato amónico o nitrato sódico con un contenido en agua entre el 14 y el 20 %, un 4 % de gasoil y menores cantidades (1-2 %) de otros productos que pueden ser: agentes emulsificantes (oleato o estearato de sodio) y ceras para aumentar la consistencia y el tiempo de almacenamiento

Algunos fabricantes incorporan en la composición burbujas de aire o esferas huecas de vidrio (microesferas) que incrementan la onda de detonación y sensibilidad, y partículas de aluminio que aumentan su potencia y sensibilidad

El área de contacto entre oxidante y combustible que proporcionan la emulsión, favorece una amplia y completa reacción. La fina película de aceite constituye una protección del nitrato frente al agua. Así, se obtiene un explosivo en forma de pasta, capaz de ser bombeado o encartuchado

Presenta las siguientes características:

• Excelente resistencia al agua

• Alta velocidad de detonación (4.500-5.500 m/s)

• Mucha menor sensibilidad a la fricción o al impacto

La mezcla de ANFO con emulsión en una proporción variable se realiza en un rango que puede abarcar desde 90/10 a 50/50, según esta proporción, las características varían desde mezclas con excelente resistencia al agua hasta mezclas con mala resistencia. La densidad decrece con el contenido en ANFO, a estas mezclas se les llama emulsión o hidrogel dopado

Las mezclas ricas en ANFO son los ANFOS pesados (heavy ANFOS), se cargan desde camión. Debido a su carácter pegajoso, la carga debe hacerse de forma inmediata

5. EXPLOSIVOS PARA LA MINERÍA DEL CARBÓN (de seguridad)

En los explosivos con aditivo inhibidor, el grado de seguridad se logra a partir de un aditivo que se comporta como inhibidor de la inflamación del grisú y del polvo del carbón. El aditivo se introduce en la formulación del explosivo. A medida que aumenta el contenido del producto inhibidor, se produce un incremento de la seguridad que va acompañado de una pérdida general de las características del explosivo

En los explosivos de intercambio iónico se añaden en su composición diversos compuestos cuya reacción en el momento de la detonación, tiene como resultado la formación del inhibidor en ese mismo instante

Los tipos de explosivos adaptados a la minería del carbón son dinamitas, hidrogeles y emulsiones

6. PÓLVORA NEGRA

Se incluye dentro de este apartado por su extendido uso en minería de roca ornamental. Sin embargo, conviene aclarar que no es un explosivo propiamente dicho, puesto que nunca llega a detonar, únicamente deflagra

Se compone de NH4NO3 o NaNO3 (75 %), azufre (15 %) y carbono (10 %)

Sus principales características son:

• la pólvora provoca la rotura de la roca por empuje de sus gases, en lugar del efecto rompedor de la onda de choque que producen los explosivos

• alta temperatura de combustión

• velocidad de reacción baja si se compara con las velocidades de detonación de los explosivos. Confinada y en ciertos calibres puede llegar a velocidades de 500 m/s

• bastante sensible al roce y a la llama, por lo que se debe manejar con las pertinentes medidas de seguridad

• se inicia con la acción de una llama o la chispa que produce una mecha lenta

• los humos de combustión son tóxicos, por tanto, tras su empleo, debe ventilarse bien la zona si es un trabajo subterráneo

1)Definición de explosivo2)Composición de los explosivos3)Tipos de reacción según la cinética química4)Mecanismo de la detonación5)Presión de la detonación6)Propiedades y características de los explosivos7)Sustancias explosivas8)Explosivos industriales9)Sistemas de iniciación

Índice del tema

Sistemas de iniciación

En cualquier trabajo con explosivos, es necesario que la detonación se inicie correctamente. Para ello, es necesario conocer los medios y técnicas que permitan iniciar la reacción en régimen de detonación para que la tronadura se produzca según lo previsto

Si el explosivo no se inicia correctamente, alcanzará una velocidad de detonación inferior a la nominal, llegando a reacciones en régimen de deflagración, o incluso llegar a detenerse la reacción

Para iniciar una tronadura, pueden emplearse diseños muy diferentes que van desde la detonación de varios detonadores a cientos de detonadores en grandes tronaduras. Una mala iniciación tendrá consecuencias en la fragmentación, el movimiento de la pila del material y podría afectar al entorno

Para explosivos que sean sensibles a la acción de un detonador, la iniciación puede realizarse introduciendo un detonador en el interior de un cartucho (cartucho cebo), que estará en contacto con el resto de la carga. También puede hacerse adosando cordón detonante a la carga explosiva, el cuál se iniciará con un detonador

Para explosivos que precisen una energía de iniciación superior a la proporcionada por un detonador, se emplearán elementos que aseguren la detonación, como multiplicadores de pentolita o cartuchos de otro explosivo

Los sistemas de iniciación más importantes son:

1. Detonadores

2. Cordón detonante

3. Relés de microrretardo

4. Multiplicadores

5. Mecha lenta

6. Otros accesorios no explosivos

1. DETONADORES

Se emplean tanto en rajo abierto como en subterráneo, su finalidad es iniciar los explosivos que se encuentran en el interior de barrenos

Existen varios tipos de detonadores, su elección depende de las necesidades de secuenciación, carácterísticas del entorno y facilidad en realizar la conexión

Todos los detonadores contienen aproximadamente la misma carga explosiva, siendo el modo de iniciación de esta carga lo que los diferencia

En términos generales, constan de una capsula metálica (de aluminio o de cobre) donde se aloja un explosivo iniciador que forma la carga primaria (compuesta por trinitrorresorcinato de plomo, azida de plomo y fulminato de mercurio), y una carga base (compuesta por pentrita)

La carga explosiva se inicia por una pildora inflamable (detonadores eléctricos, no eléctricos y electrónicos) o por medio de una llama (detonadores ordinarios)

Los DETONADORES ORDINARIOS se inician con mecha lenta. La mecha lenta se introduce en el extremo abierto de la cápsula de Aluminio que aloja la carga explosiva

Por su configuración, no es posible establecer ningún tipo de retardo. Una vez que llega la llama propagada por la pólvora que lleva la mecha en su interior, el detonador se inicia instantaneamente

Se emplean unicamente en tronaduras en roca ornamental

Los DETONADORES ELÉCTRICOS emplean energía eléctrica para su iniciación

Estos detonadores poseen un inflamador pirotécnico (denominado cerilla), a través del cual circula la corriente eléctrica que causa la iniciación de la carga explosiva

La cerilla es una pequeña resistencia recubierta de pasta explosiva. Esta resistencia (puente de incandescencia) recibe la corriente eléctrica a través de los hilos de conexión. Si la intensidad es lo suficientemente grande, el puente se calienta hasta alcanzar una temperatura que produzca la inflamación de la pasta explosiva de la cerilla

Existen dos grupos de detonadores eléctricos: instantáneos y temporizados

Los temporizados poseen un casquillo entre el inflamador que tiene una pasta pirotécnica que quema a una velocidad determinada. Este casquillo se llama portarretardo, y lleva en su interior una carga de retardo

Con la combinación de diferentes longitudes y composiciones de la carga de retardo, es posible obtener detonadores que se inician a diferentes tiempos de detonación

En función de la intensidad necesaria para iniciar el inflamador pirotécnico, se pueden distinguir (de menor a mayor intensidad necesaria para la detonación): detonadores Sensibles, Insensibles o Altamente Insensibles

Los detonadores sensibles sólo se usan en minería de carbón

Entre las carácterísticas eléctricas de los detonadores:

Resistencia del puente: resistencia de la cerilla o puente de incandescencia (Ω)

Resistencia de los dos hilos de conexión (Ω)

Resistencia total del detonador (Ω)

Intensidad de corriente recomendada: intensidad mínima de corriente eléctrica necesaria para asegurar que todos los detonadores conectados en serie en una tronadura, reciben energía suficiente para su iniciación. Es la que el fabricante recomienda y, por tanto, la mínima a utilizar (A)

Corriente de seguridad: impulso de encendido o sensibilidad eléctrica de los detonadores (A)

Una clasificación de los detonadores con tiempo de retardo diferencia los detonadores en función del tiempo de temporización que tienen

Serie de microrretardo: entre cada uno de los detonadores de la serie hay un retardo de 25 ms

Serie de retardo: hay 500 ms de tiempo de retardo entre cada uno de los detonadores de la serie

Una clasificación en función de la aplicación para la que están diseñados

Detonador de cápsula de aluminio: uso general para aplicaciones en tronaduras a rajo abierto sin presencia de grisú

Detonador de cápsula de cobre: presenta las mismas características que los detonadores de aluminio, pero pueden emplearse en atmósferas explosivas. La cápsula y los hilos de alimentación son de cobre

Detonadores sísmicos: se fabrican con un tiempo de reacción inferior a un milisegundo y son aptos para resistir altas presiones hidrostáticas durante largos periodos de tiempo

Los DETONADORES NO ELÉCTRICOS se caracterizan porque no interviene ningún tipo de corriente eléctrica en su iniciación

La parte explosiva es común a los eléctricos, pero en lugar de un inflamador pirotécnico, la carga portarretardo se inicia por medio de una onda de choque de baja energía que se transmite a través de un tubo de transmisión

El tubo de transmisión es un tubo de plástico que contiene en su interior una pequeña cantidad de material reactivo (aprox 14 mg/metro lineal) compuesto por Hexógeno (HMX) y Aluminio

El tubo está engarzado en el detonador haciendo que la onda de baja energía transmitida por su interior incida como un “dardo” sobre la carga primaria o carga de retardo. La velocidad de transmisión de esta onda es del orden de 2.000 m/s

La onda de choque se propaga con toda fiabilidad a través del tubo de transmisión, aunque existan dobleces pronunciadas o nudos

Esta onda de choque no tiene influencia sobre la columna de explosivo contenido en el barreno, permitiendo la iniciación en el fondo del mismo

La cantidad de materia reactiva contenida en él es tan pequeña que la superficie exterior del tubo queda intacta durante el paso de la onda de detonación

La cantidad de material reactivo es tan pequeña, que el tubo de transmisión por sí solo no está catalogado como material explosivo

El tubo de transmisión se presenta en diversidad de colores para identificarlo con cada una de las diferentes aplicaciones

Los DETONADORES ELECTRÓNICOS son la tendencia más moderna para la iniciación de tronaduras

La diferencia con los otros detonadores es que la pasta pirotécnica que determina el tiempo de retardo ha sido sustituida por un circuito electrónico, en el que un microchip es el encargado de realizar la descarga de un condensador en el instante deseado

La carga explosiva es igual a la del resto de detonadores, así las características explosivas del detonador electrónico son las mismas que los otros sistemas de iniciación

La precisión en los tiempos de retardo es del 0,02 %, mucho mayor que el resto. Esto es muy importante en tronaduras (donde a veces hay cientos de detonadores en un corto espacio de tiempo), ya que desviaciones en la precisión pueden influir en la fragmentación, producción de vibraciones o en el comportamiento global de la tronadura

Los detonadores electrónicos pueden programarse con un tiempo de retardo desde 0 ms a 14.000 ms, en intervalos de 1 ms. El máximo número de detonadores que pueden dispararse por cada explosor es 1.500 uds

Los detonadores electrónicos deben usarse conjuntamente con la unidad de programación y la unidad de disparo (explosor electrónico)

• la unidad de programación es el dispositivo que asigna un tiempo a cada detonador. Estas unidades no cargan el detonador, sólo identifican un tiempo de detonación con un código inequívoco al detonador. La programación se realiza en la tronadura, por lo que los detonadores que llegan desde el polvorín son exactamente iguales

• el explosor electrónico es el equipo que tiene la misión de programar, cargar, realizar la comprobación del circuito y enviar la orden de disparo a los detonadores. La señal que envía está codificada, para que no sea posible la emisión de la orden de disparo por agentes externos (corrientes energéticas, campos inducidos…)

Principales ventajas:

(1)Reducción drástica de vibraciones

(2)Mejora en la fragmentación

(3)Todos los detonadores son iguales, la logística es más fácil y los inventarios pueden reducirse

(4)La secuenciación puede adaptarse a cualquier necesidad, con 1 ms de precisión

Inconvenientes:

(5)Costo elevado porque su uso todavía no está muy extendido

(6)Alta inversión inicial en equipos de programación y disparo

2. CORDÓN DETONANTE

Es un cordón flexible e impermeable que contiene pentrita (~ 8.000 m/s) en su interior

El núcleo de pentrita (cantidad variable según el tipo de cordón) va rodeado de varias capas de recubrimiento de hilados y fibras textiles, y de un recubrimiento exterior de cloruro de polivinilo, que es lo que proporciona las propiedades de elevada resistencia a tracción, abrasión y humedad

Se caracteriza por su potencia, que es proporcional al contenido en pentrita por metro lineal de cordón. Actualmente, los cordones más empleados tienen contenidos en explosivo de 3 a 100 gramos por metro lineal

Tienen dos tipos de aplicaciones, sirven para la iniciación de explosivos dentro de una tronadura (más frecuente) en un rango de 3 a 40 g/m. Los cordones de gramaje superior a 40 g/m se usan como carga de barrenos en tronaduras de recorte y precorte (~ 100 g/m)

Para iniciar el explosivo, sólo se precisa colocar el cordón en contacto con el explosivo para que se produzca la detonación. La iniciación del cordón puede realizarse mediante un detonador que inicie los diferentes cordones que existan en la tronadura a modo de línea de malla

3. RELÉ DE MICRORRETARDO

Con cordón detonante sólo se pueden realizar tronaduras instantáneas, lo que genera problemas de vibraciones

Los relés consisten en unos artificios que, intercalados entre dos tramos de cordón detonante, interrumpen la detonación del mismo durante 15 ó 25 milisegundos según el tipo de relé, creando un efecto de retardo, en las tronaduras conexionadas con cordón detonante, similar al proporcionado por los detonadores eléctricos de microrretardo

4. MULTIPLICADORES

Son iniciadores que se utilizan para explosivos de baja sensibilidad al detonador como ANFO, hidrogeles o emulsiones, tanto si se emplean encartuchados o a granel

Están compuestos por un cilindro de pentolita que va envuelto en cartón. La pentolita es un explosivo de alta potencia formado por pentrita y trilita, que tiene una alta velocidad de detonación (~ 7.500 m/s)

El multiplicador lleva unos orificios que van rodeados de pentrita para los accesorios que los inician (cordón detonante, detonador…)

5. MECHA LENTA

Esta formada por un núcleo de pólvora negra recubierta con varias capas de hilados y materiales impermeabilizantes para resistir humedad, abrasión y esfuerzos mecánicos

La combustión de la mecha lenta ocurre a una velocidad de 2 minutos por metro lineal. Esta velocidad se ve influenciada por la humedad, si esta mojada, la velocidad disminuye, y aumenta si está seca

Se usa para la iniciación de detonadores ordinarios y pólvora de mina

6. OTROS ACCESORIOS NO EXPLOSIVOS

Para iniciar los explosivos, hay que proveer de la energía necesaria al sistema de iniciación correspondiente. Esta energía se obtiene por medio de explosores eléctricos

EXPLOSORES ELÉCTRICOS

Son máquinas generadoras de corriente eléctrica que se utilizan para iniciar tronaduras con detonadores eléctricos. Sólo suministran una cantidad de energía limitada por cada disparo para evitar accidentes, y de la manera apropiada para el encendido de los detonadores

Los más habituales son dinamoeléctricos y de condensador

ÓHMETROS

Son máquinas que miden resistencia. Es imprescindible para tronaduras eléctricas. Permite comprobar y medir el circuito de la tronadura, investigar defectos de continuidad en detonadores y medir aislamientos

Los óhmetros empleados en tronaduras deben ser equipos especialmente fabricados para ello y deben certificar que introducen al circuito una corriente muy pequeña para que no afecte a la iniciación de los detonadores. Por lo tanto, no es posible emplear óhmetros de fabricación estándar en tronaduras

SISTEMAS DE INICIACIÓN NO ELÉCTRICA

Las tronaduras con detonadores no eléctricos se inician con sistemas diferentes. Es necesario proporcionar la energía suficiente al extremo de un tubo de transmisión de modo que se asegure que se inicia correctamente. Esta energía puede obtenerse por una chispa eléctrica o por un pistón de caza

Los iniciadores de chispa son equipos eléctricos que, por medio de una pequeña pila y un sistema de acumuladores y condensadores, generan una chispa de alrededor de 2.000 voltios. Esta chispa se genera en un electrodo que está en contacto con el extremo del tubo de transmisión

Los iniciadores de pistón constan de un cuerpo metálico en el que se engarza el tubo de transmisión y se coloca un pistón de iniciación. Este cuerpo está provisto de un percutor que incide el pistón, provocando su disparo

Son equipos más robustos y requieren menos mantenimiento que los de chispa, pero requieren un pistón cada vez que se quiere disparar