Capítulo 2 Explosivos

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Historia y Propiedades de los Explosivos

EN ESTE CAPITULO

Introducción Página 2.1

Historia de los explosivos Página 2.2

Propiedades de los explosivos Página 2.2

Física de Detonación Página 2.21

Tipos de Explosivos Página 2.28

C

A

P

I

T

U

L

O

2

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INTRODUCCION

Nosotros construimos caminos, edificios, y diques para proporcionar la infraestructura para la sociedad. Piedra y Mineral son ya materias primas necesarias para hacer muchos de los productos los cuales usamos y de los cuales dependemos hoy. Estos productos van desde los Palos de golf, cepillos de diente, computadoras, prótesis, automóviles, casas, transmisión de energía eléctrica y muchas mas . Se calcula que una persona consumirá en toda su vida alrededor de 45 toneladas de roca y minerales. La mayor parte de la operación de extraer recursos minerales necesita trabajos voladura con explosivos, en los cuales se debe saber mucho sobre los productos explosivos que se utiliza. También es importante que usted sepa usar estos productos con seguridad. Este capítulo presenta la información sobre los siguientes temas:

• Historia de los explosivos en minería

• Definiciones de términos Explosivos

• Física de Detonación

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HISTORIA DE LOS EXPLOSIVOS EN MINERÍA

Alguna literatura habla de uso de mezclas explosivas 668 A.C. probablemente mezclas de combustible líquido, cal viva y sulfuros (Greek-Fire) en una guerra entre Bisantinos y Arabes. Los nitratos de potasio se conocieron a partir del año 1225 – 1250. Los Chinos tenían conocimiento de estos nitratos a partir de 1218. Roger Bacon (1214-1292) describe la preparación de la pólvora. A partir de 1300 la pólvora se usa masivamente como propelente en armas de fuego (Pistolas, cañones y otras).

En el comienzo del siglo 17 la pólvora se usa para realizar los primeros trabajos de voladura de roca en reemplazo del antiguo método, que consistía en quebrar la roca por tensión a través de un brusco cambio de temperatura. Se quemaban grandes cantidades de troncos de madera lo mas cerca posible de la roca y luego se vaciaban grandes cantidades de agua, provocando una contracción de la roca. La primera voladura registrada en EEUU fue el año 1773 en Connecticut, así comienza el uso masivo de la pólvora en minería y construcción, y así comienzan también los accidentes debido a alta dispersión en el tiempo de combustión de esta. William Bickford a comienzos del siglo 19 introduce la mecha de seguridad, lo que permite un mejor control de la voladura y un menor número de accidentes. El año 1846 Un químico Italiano Ascanio Sobrero, descubre finalmente la nitroglicerina , llamándola piroglicerina, el año 1862 Alfred Nobel y su hermano Emmanuel , le dieron un uso en trabajos de voladura, transportando la nitroglicerina semipura (Glonion Oil) , el 1864 se introduce una mezcla de Nitroglicerina y un material inerte llamada tierra de Kieselguhr y empacado en containers de madera y finalmente en 1864 comienza la producción masiva de la dinamita empacada en cartón o papel reforzado, el peak en el uso de estos explosivos fue en los años 1955.

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El año 1955 marca el inicio de la historia moderna de los explosivos con la introducción de mezclas de nitrato de amonio y combustible, (ANFO) a partir de este año se introduce las primeras aplicaciones de ANFO en minería a cielo abierto, posteriormente en los años 1960 se introducen mezclas de explosivos saturados en agua SLURRIES en minería, solucionando el problema de la poca resistencia al agua de el ANFO. En el año 1964 se presentan las patentes de las primeras emulsiones explosivas. En 1970 se introducen en EEUU las primeras emulsiones explosivas y a partir de los años 1980 se aplican masivamente las mezclas de Emulsión/Anfo y Emulsión/Nitrato o Anfos Pesados.

DEFINICIONES DE TERMINOS Y PROPIEDADES DE LOS

EXPLOSIVOS

Los siguientes términos explosivos se definen formalmente..

• Explosivo

• Acople

• Presión de Barreno

• Densidad Critica

• Presión de no detonación (Deadpressing)

• Densidad de Explosivo

• Presión de Detonación

• Velocidad de Detonación

• Energía explosiva – Fuerza

• Humos

• Densidad de carga

• Sensibilidad

• Sensitividad

• Detonación por simpatía, (Comprensiva)

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Explosivo

Desde un punto de vista práctico, un explosivo es un elemento capaz de producir una explosión, para esto y bajo determinadas condiciones, estos elementos reaccionan en un proceso de descomposición química caracterizada por tener una alta velocidad de reacción y en el que se produce una expansión de una gran cantidad de gas a alta temperatura que es capaz de hacer un cierto trabajo mecánico a una cierta distancia en torno de la sustancia explosiva.

Acoplamiento

Es la relación de contacto que existe entre el explosivo y las paredes de la perforación que lo contiene. Los explosivos encartuchados no llenan el barreno completamente y existe una diferencia entre el diámetro de perforación y el diámetro del explosivo, que expresa el acoplamiento de un explosivo en una cierta perforación. Los explosivos a granel tienden a ocupar todo el volumen de la perforación que los contiene y cuando se cargan apropiadamente y la perforación se encuentra en buenas condiciones el explosivo está en pleno contacto con las paredes del berreno. La relación de contacto entre explosivo y perforación expresa una capacidad de traspasar una cierta cantidad de energía desde el explosivo a su entorno (Roca). Cuando un explosivo llena completamente la perforación, el esfuerzo producido por la detonación excede muchas veces la resistencia a la compresión de la roca. El uso de una carga explosiva desacoplada puede aplicarse para reducir el daño generado a las paredes, por ejemplo en trabajos de precorte o recorte, cuando se busca no dañar ciertas zonas de la mina o cantera en la que se trabajará normalmente periodos de largo plazo.

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Figura 2.1 Acoplamiento de cargas explosivas

-% de reducción Pd en barrenos con agua

= 1 - [De/Db]

-

% de reducción de Pd en barrenos secos =

1 - [De/Db]

Pd: Presión de detonación

De: Diámetro del explosivo Db: Diámetro del barreno

Ejemplo 2.1 La presión de detonación de un explosivo de 127 mm ( 5 Pulgadas) de diámetro en un barreno de 165 mm 6

½

pulgadas será reducida en un 38 % en un barreno con agua y en un 49 % en un barreno seco.

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Presión de Detonación

Medida en Kilobars, corresponde a la presión medida en el la zona de reacción del explosivo detrás del frente de onda de choque. La habilidad de un producto explosivo de funcionar correctamente depende fundamentalmente de la presión de detonación del producto que lo inicia. Una presión de detonación de cebo adecuada asegura la iniciación del explosivo., la magnitud de esta presión le proporciona al explosivo la habilidad explosiva de iniciar otro explosivo y producir daño en una roca.

Shock Wave Moving Out Into Rock

Shock Wave / Detonation Front CO2 + 7H2 O + 3N2

3NH NO + CH 4 3 2

Unreacted Product Products of Detonation

Detonation Head Area (Detonation Triangle Reaction)

Expansion of Detonation Products Reaction Zone

ANFO

Gases heating and creating borehole

pressure

Frente de Onda

Zona de reacción

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La presión de detonación es función de la densidad y velocidad de detonación del explosivo. La presión de la detonación puede calcularse como está ilustrado en Figura 2.8.

Figure 2.8 Presión de Detonación

P Presión de detonación (Kbars) D Densidad del explosivo (g/cc) V Velocidad de detonación (m/s) 2.5 & 1,000,000 Factores de conversión

Nota. Un Kbar es igual a la presión a 1,000 atmósferas o 14,700 psi.

Ya que la presión de la detonación depende de la velocidad de la detonación cuadrada, usted puede ver que si la velocidad cambia un poco, la presión de la detonación cambiará mucho. Si la densidad explosiva cambia un poco, la presión de la detonación cambiará una menor proporción.

El cálculo de la presión de detonación es muy importante al considerar el cebado. La presión de detonación de cebo, asegura la iniciación de la carga explosiva. Como regla general La presión de detonación

producida por el cebo debe exceder la presión de la detonación producida por el explosivo.

P

d

=

000

,

000

,

1

5

.

2

x

d

x

V

2

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Presión de Barreno

Otra propiedad de un explosivo es la presión de barreno y corresponde a la presión generada por la expansión de los gases de detonación. La detonación crea presión dentro del barreno durante el proceso de detonación se descompone las sustancias explosivas en gas y calor. El calor expande estos gases y la expansión crea la presión contra la pared del barreno. Esta presión causa que la roca se rompa y se mueva la cantidad de gas generado (Volumen) y la rapidez con que se produzca este fenómeno controla el movimiento de la masa rocosa.

La presión de Barreno equivale aproximadamente a un 50 % de la presión de detonación, en explosivos comerciales y varia en un rango de entre un 30 a un 70. La presión de detonación de un explosivo sólo puede calcularse, no es posible medirla directamente.

Figure 2.2 Presión de Barreno

T yp e te x t T yp e te x t

Taco

Gases a altas Tº

Detonación

del explosivo

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Densidad Critica/Presión de no detonación

La "Densidad Crítica" de un producto explosivo es la densidad en la cual, y sobre la cual un explosivo no alcanza un régimen de detonación. En otros términos si una densidad de producto es mayor o igual a su densidad crítica, este explosivo no detonará. Los aumentos significativos en la densidad reducen la sensibilidad explosiva. Los productos a granel se fabrican a densidades especificas que deben dar los mejores resultados, pero en ciertas condiciones se generan presiones suficientemente altas para que el explosivo alcance su

densidad crítica, esta presión es la presión de no detonación.

Los productos a granel pueden alcanzar dentro de un barreno densidades críticas debido a dos fenómenos:

- Compresión estática: Se comprime la columna explosiva por las presiones hidroestáticas de la columna explosiva y es función de los siguientes factores.

- Densidad de copa del explosivo - Diámetro del explosivo - Altura de carga - Altura de perforación

- Compresión dinámica: Se comprime la columna explosiva por las presiones generadas por las presiones generadas por la detonación de otro explosivo, producida en el entorno en un tiempo anterior.

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Compresión Estática

Compresión Dinámica

Figura 2.3 Densidad crítica

Densidad

La densidad de un explosivo es una de las propiedades más importantes a considerar al diseñar una voladura y corresponde al peso del explosivo por unidad de volumen. Sabiendo la densidad explosiva le permite calcular cuánto explosivo se debe cargar en un barreno La densidad se expresa normalmente gr/cm3 ( g/cc).

Las densidades de la mayoría de los explosivos a granel están en un rango de 0.82 g/cc a 1.35 g/cc. Recuerde que l litro de agua limpia tiene una densidad de 1.0 g/cc, y el agua sucia (con los sólidos suspendidos de suciedad, barro, cortes de taladro) tiene una densidad sobre 1.0 g/cc por lo tanto un explosivo con una densidad menor a 1 gr/cc flotará en el agua.

Type text

T yp e tex t

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Cuando se carga apropiadamente un explosivo a granel en un barren o con agua, la manguera debe insertarse hasta el fondo del barreno. Mientras se está cargando, la manguera debe permanecer a de 0,7 a 1 m (2-3 pies) dentro del producto mientras este se repliega.

En el caso de las dinamitas existe una relación directa entre la densidad y la energía, pero en explosivos en bases acuosas ( Slurries , Emulsiones) , puede darse el caso que dos explosivos de igual densidad tengan una energía explosiva diferente.

Figura 2.7 Densidades de explosivos a granel

Velocidad de Detonación

La velocidad de detonación es una característica muy importante de un explosivo. Podría determinar qué tan eficazmente es un explosivo para romper y mover roca. La velocidad de una reacción de detonación se llama velocidad de detonación. La velocidad de detonación también es una medida de control de calidad muy útil. La velocidad de detonación tiene una unidad de medida metros/segundo ( m/sec). ANFO 50 kg. ® Emulsión 87 kg . 3 m ® Emulsión 81 kg

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Figura 2.9 Velocidad de detonación

Los siguientes factores afectan la velocidad de detonación:

• Confinamiento

• Densidad de Explosivo

• Diámetro de Explosivo

• Tipo de Explosivo

• Temperatura del Explosivo

• Cebo o prima

Confinamiento

Generalmente, un mayor confinamiento del explosivo produce en los explosivos a granel, una velocidad de detonación más alta, y una reacción más completa.

Densidad del Explosivo

Generalmente, la mayor densidad producirá velocidad de detonación mayor y también mayor presión de detonación. La velocidad de la detonación ideal es la velocidad de la detonación máxima del explosivo a una densidad. Las densidades excesivamente altas en agentes de voladura pueden reducir, sin embargo, seriamente la sensibilidad y estar cercana a la densidad critica.

Frente Onda de Choque = Velocidad de

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Diámetro del Explosivo

En general mientras más grande el diámetro de barreno, los explosivos a granel alcanzan más altas velocidades de detonación.

Tipo de explosivo

La cantidad, tipo, tamaños, y distribución de ingredientes en un explosivo tiene un efecto directo sobre su velocidad de detonación y sensibilidad. Típicamente, mientras mas pequeña la partícula del ingrediente producen más rápidas son las reacciones de detonación. La velocidad de la detonación depende directamente de la velocidad de la reacción de la detonación

Cuando es detonado, un explosivo no logra su velocidad de régimen máxima instantáneamente,. Mientras mas corto es este tiempo más rápido rendimiento de energía máxima (vea Figura 2.10). Cuando las velocidades de la detonación mostradas en el gráfico se nivelan, el producto ha alcanzado la velocidad de régimen final.

Figura 2.10 Velocidad de detonación vs tiempo

Temperatura del Explosivo

Un aumento en la temperatura del producto puede afectar las propiedades de los explosivos. Asegúrese que verifica la hoja de información técnica apropiada para la temperatura limite o rango para la actuación esperada del producto y los requisitos de cebado.

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Cebado

Los cebos adecuados asegurarán que el explosivo alcanzará su velocidad de régimen máxima tan rápidamente como sea posible bajo las condiciones del uso. Los cebos inadecuados pueden producir falla del explosivo en alcanzar velocidad de régimen , causando una más baja detonación. Siempre se debe seguir el cebo recomendado por los procedimientos encontrados en la hoja de información técnica del producto.

Energía Explosiva/ Fuerza explosiva

La energía de un explosivo es un valor calculado teóricamente por las propiedades de reacción de detonación de sus componentes. Los valores de energía explosiva se encuentran en las hojas técnicas de producto y normalmente se expresan en calorías/gr. o cal/cc.

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La fuerza explosiva es la rapidez con que el explosivo hace su trabajo, es función de la energía teórica de un explosivo y su velocidad de detonación. Si dos explosivos tienen la misma velocidad de detonación , el que tiene mayor energía es mas potente , ya que producirá mas energía en un mismo tiempo.

Cuando la Dinamita era el explosivo primario usado, la fuerza era un valor derivado de su contenido y peso de nitroglicerina.

En la actualidad cuando usamos ANFO como explosivo principal usamos la energía explosiva basada en la energía contenida en sus componentes y del tipo y calidad de su mezcla .

Los valores de energía normalmente usados son:

• Potencia o Fuerza en Peso

• Potencia o Fuerza en Volumen

Para cada uno de estos tipos de valores de energía hay un valor absoluto y uno relativo. El valor absoluto puede encontrarse en la información técnica del producto y está en relación a sus componentes y el valor relativo es la relación de este con el valor absoluto del anfo

Potencia Absoluta en Peso (AWS)

Medida de la máxima energía teórica el explosivo por unidad de peso se expresa en calorias o jole(es decir cal/gr.) basado en sus ingredientes( materias prias). Este valor puede encontrarse en la Hoja de Información Técnica del Producto. , por ejemplo el AWS del Anfo es de 3730

Figure 2.12 Potencia absoluta en peso Emulsión LITE 680 cal/g Mezcla 50% ANFO 780 cal/g ANFO 880 cal/g Potencia en peso absoluta (AWS)

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Potencia ene Peso Relativa (RWS) La fuerza de peso relativa de un explosivo simplemente es la proporción del AWS de un explosivo con el AWS del ANFO. Se ilustra la fuerza de peso relativa en la Figura 2.13. En una base de peso relativa, el ANFO tiene el RWS más alto.

Figure 2.13 Potencia relativa en peso

Figure 2.14 Fórmula de la potencia relativa en peso

Ejercicio 2.2

AWS explosivo: 680 cal/gr AWS ANFO : 880 cal/gr.

gm

cal

gm

cal

/

880

/

680

= 0.77 Respuesta: RWS = 0.77

Formula de potencia relativa en peso

RWS

=

(

)

)

(

ANFO PRODUCT

AWS

AWS

Emulsión LITE Mezcla 50% ANFO ANFO 0.89 1.0 0.77

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Potencia absoluta en volumen (ABS)

La fuerza absoluta en volumen "ABS", de un explosivo es una medida de cuánta energía el explosivo posee por el volumen es decir cal/cc. Éste normalmente es un número más interesante cuando los barrenos representan volúmenes a ser llenados.

Figure 2.15 Potencia absoluta en volumen (ABS)

Potencia relativa en volumen (RBS)

La fuerza relativa en volumen de un explosivo es la proporción del ABS de un explosivo al ABS de ANFO. Se ilustra la fuerza relativa en volumen con los mismos productos usados antes y en una base a granel, ANFO es el más bajo en la energía relativa. Esto es debido a su más baja densidad

ANFO Mezcla 50% Emul

50% ANFO

Emu lsión

721 cal/cc 975 cal/cc 1,030 cal/cc Potenciá absoluta en v olumen (ABS)

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Figure 2.16 Potencia relativa en volumeen

Figure 2.17 Fórmula de la Potencia relativa en volumen

Densidad de Carga

La densidad de carga es el número de kilogramos por metro de un explosivo en un barreno.

Figure 2.19 Formula de la densidad de carga

Kg./m Densidad de carga lineal Densidad Densidad del explosivo gr/cc De Diámetro del explosivo en pulgadas 0.507 Factor de conversión

Recuerde que al usar explosivos a granel, el diámetro del producto iguala el diámetro del barreno.

Formula potencia relativa en volumen

RBS =

(

)

)

(

ANFO PRODUCT

ABS

ABS

ANFO DYNO ® GOLD

50% ANFO DYNO®GOLD

LITE

1.00 1.36 1.43

Relative bulk strength (RBS)

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PRECAUCION: Lo siguientes dos factores causan que el diámetro

real del barreno sea diferente de lo que usted piensa que debe ser:

• Pedazos de taladro consumido

• Condiciones de suelo pobres

Diámetro Crítico:

Es el diámetro mínimo de un explosivo para que se produzca la generación de una detonación estable , es afectado por los siguientes factores:

- Confinamiento del explosivo

- Temperatura

- Presiones sobre el explosivo

- Cebo o prima

Sensitividad (Gap)

Es la capacidaad que tiene un explosivo de propagar la detonación a través de tramo de aire. Esto es de preocupación especial cuando hay oportunidad que ocurran huecos dentro de la columna explosiva. Las dinamitas propagan muy bien , pero las emulsiones tienen una menor perfomance en esta característica

Figure 2.20 Sensitividad

T yp ete x t

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Algunos tipos de explosivos a ser discutidos después en este manual son suficientemente sensibles como para propagar sobre distancias considerables e incluso entre barrenos. Los factores que mas afectan esta propagación barreno – barreno son:

• Tipo de Material que está siendo Volado

• Tipo de explosivo

• Tamaño de la carga explosiva

• Distancia entre barrenos

• Presencia de Agua

Bajo la mayoría de las condiciones es importante que la cargas individuales no propaguen para que detonen independientemente con intervalos de retardo predeterminados en una secuencia.

Cuando la carga se detona como fue diseñado, la fragmentación puede mejorarse y la vibración se controla.

Sensibilidad (Cebo Mínimo)

La sensibilidad es una medida de la facilidad de iniciación de un explosivo. La sensibilidad explosiva determina los requisitos mínimos del cebo o prima. Algunos explosivos son sensibles a un detonador, estos productos incluyen las dinamitas, las gelatinas, los booster, algunos slurries y ciertas emulsiones ambos encartuchados. , en general los explosivos a granel no son sensibles al detonador . La medida de sensibilidad que se necesita tener en cuenta es la del detonador y/o sensibilidad del booster. La sensibilidad dicta cómo algunos explosivos se ceban, se guardan y se transportan. Siga las recomendaciones de la hoja de información técnica para la selección del booster apropiado.

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Figure 2.21 Sensibilidad

Los explosivps sensibles a detonador son aquéllos que pueden iniciarse con un detonador de fuerza No.8 ( todos los detonadores Dyno Nobel dentro del barreno son fuerza No. 12). Las temperaturas ambiente frías hacen a un explosivo menos sensible. Considere booster más grandes o productos con sensibilidad mayor en los ambientes de temperatura fríos.

Detonación Comprensiva (Simpatía)

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La detonación comprensiva ocurre cuando un producto detona como resultado de la detonación de una carga adyacente. La dinamita de fue diseñada para actuar por este mecanismo. Generalmente en aplicaciones de la minería y construcción la detonación comprensiva puede producir fragmentación pobre, vibración alta e incluso flyrock.

La propagación de una carga a otra carga se llama detonación comprensiva. La detonación comprensiva ocurre de barreno a barrenoo deck-a-deck. Esta La detonación raramente ocurre al usar explosivos a granel.

Humos Toxicos

La detonación causa que el explosivo se descomponga rápidamente en gases. Esta descomposición produce grandes cantidades de calor. Más a menudo, estos gases son el anhídrido carbónico(CO2) , nitrógeno(N2) y vapor de agua(H2O). Hay a veces un poco de humos tóxicos producidos incluyendo el monóxido de carbono(CO), y óxidos de nitrógeno(NO, NO2). En la industria de explosivos estos gases se llaman humos tóxicos. No deben confundirse los humos (gases) con humo que puede componerse de vapor y productos sólidos de combustión. Ambos tipos varían entre los distintos tipos de materiales explosivos

Figure 2.22 Toxic Fumes

En el trabajo abierto, los humos causan normalmente una preocupación si ellos pueden dispersarse rápidamente por movimiento

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aéreo, pero en el subsuelo o subterraneo y otros tipos de trabajo confinado, deben considerarse el tipo y cantidad de explosivo, condiciones de la voladura, ventilación, y otros factores.

Donde los humos puedan ser un problema, los explosivos y agentes de voladura apropiadamente fabricados, darán cantidades mínimas de gases tóxicos.

Aquí se listan algunas condiciones de voladura que pueden producir humos tóxicos:

• Cebado Inadecuado

• Insuficiente resistencia al agua

• Falta de Confinamiento

• Reactividad del explosivo con la roca o con el material a ser volado.

• Reacción Explosiva Incompleta.

Un período de espera adecuado antes de volver al área de la voladura es obligatorio. Se enfatiza que algunos gases tóxicos son inoloros y descoloridos como el monóxido de carbono. La ausencia de humo de explosión no es ninguna garantía que los niveles riesgosos de gases tóxicos todavía no esten presente.

Los Explosivos deben usarse de acuerdo con las clasificaciones de humo siguientes. Las clasificaciones de humo estan basados en la generación de monóxido de carbono.

Resistencia al Agua

La resistencia al agua de un explosivo se define ampliamente como la habilidad de un producto de resistir la penetración de agua. Más específicamente, generalmente se expresa la resistencia al agua como el número de horas que un producto puede sumergirse en el agua estática y que todavía pueda detonarse confiablemente.

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Los productos explosivos penetrados por el agua se dañan en eficacia, y en la exposición prolongada o en condiciones de agua severas, puede desensibilizarse a un punto dónde ellos no detonarán.

La resistencia al agua de un producto no sólo depende en la habilidad inherente explosiva de resistir la penetración de agua, pero también en las condiciones de agua. El agua estática a las presiones bajas no afectará el explosivo tan rápidamente como el agua de movimiento rápido, sobre todo bajo presión alta. Por consiguiente, los resultados de pruebas de agua-resistencia deben ser considerados las condiciones particulares de cada funcionamiento de voladura respecto a cada operación de voladura. Las mediciones de agua-resistencia son pautas conservadoras que deben interpretarse apropiadamente por personal especializado y experimentado.

Por consiguiente, los resultados de pruebas de agua-resistencia deben ser considerados en condiciones particulares de cada operación de Voladura. Las valuaciones de agua-resistencia son pautas conservadoras que deben interpretarse apropiadamente por personal especializado y experimentado.

Los explosivos comerciales difieren ampliamente en su habilidad de resistirse el efecto de penetración de agua. ANFO (Dyno Mix) desensibilizará rápidamente en agua de borehole .

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FISICA DE DETONACION

A continuación, una explicación básica de la combustión y reacciones de detonación. La actuación (performance) explosiva está basada en estas reacciones.

Combustion

La reacción de reducción de oxidación ( redox) es la base para el proceso de la combustión, y es la reacción entre un combustible y oxígeno. Esta reacción produce gases, calor y algunos residuos sólidos.

Figure 2.25 Fire triangle

El Triángulo de Fuego en Figura 2.25 describe la reacción lenta llamada combustión. La combustión es el quemado normal. La velocidad de combustión depende del tamaño de la partícula del combustible. Las partículas más pequeñas producen quemado mas rápido. Un leño de madera se quema despacio. El mismo leño cortado se quema más rápidamente. El aserrín y polvo de madera seca se quema aun más rápidamente. Si este polvo se dispersa en el aire la reacción de quemado puede ser bastante rapida como para producir una explosión. La facilidad de iniciación de una mezcla de combustible/oxigeno depende de la intimidad de esta mezcla. Una nube de harina o humo de gasolina en el aire, es muy facil de encender y requiere sólo una chispa. mientras mas finamente dividimos las partículas de combustible , más rápida será la proporción de combustión..

Oxygen

Fuel

Heat

Oxidation-Reduction Gasses + Heat + Residues Slow Reaction

In Combustion Oxidation-Reduction is a Slow Reaction

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Detonación

La figura 2.26 representa la reacción de la detonación en una relación triangular similar. La detonación involucra reacciones redox ( reducción-oxidación) en una proporción mucho más rápida que la combustión.

Figure 2.26 Detonation triangle

Combustión y detonación difieren por su fuente de oxígeno. Con la combustión, el oxígeno está en el aire. Con la detonación el oxigeno se contiene en las substancias llamadas oxidantes. Los explosivos son mezclas de combustible y oxidantes. El mismo principio de intimidad de mezcla de combustible/oxidante aplica a la detonación explosiva. Mientras más íntima es la mezcla en un explosivo, más rápida la proporción de la reacción ( velocidad de detonación) y más fácil su iniciación (sensibilidad). Como en la combustión, los productos de detonación son principalmente gases y calor. La liberación cercana instantánea de gases a la detonación, junto con el calor, construye tremenda presión en el blasthole. Esta presión ejerce gran fuerza en la roca circundante y hace el trabajo de fragmentar y mover la piedra.

Reacciones Explosivas

La reacción de la detonación es una reacción química que adelanta una onda de choque a lo largo de una columna de material explosivo. La detonación genera temperatura alta y pendientes de presión al frente de la onda de choque. Estas pendientes altas causan que la reacción

Oxidizer

Fuel

Ignition

Oxidation-Reduction Gasses + Heat + Shock + ResiduesSlow Reaction

In Detonation Oxidation-Reduction is a Fast Reaction Detonation

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química ocurra rápidamente. Las reacciones explosivas son detonaciónes o deflagraciónes.



Detonación de orden completo es una reacción quimica que crea

una onda de choque y mantiene la valocidad de estado estable.



Detonación de bajo orden es una reacción quimica que crea una

onda de choque sin alcanzar velocidad de estado estable.



Deflagración es una reaccion que no crea una onda de choque.

Las velocidades de detonación varían sobre un rango de aproximadamente 1,500 m/sec a 9,000 m/sec (4,900 pies / ft/sec - sec-29,500). las velocidades explosivas más Lentas varían a menudo sobre un rango de 150 m/sec a 850 m/sec (500 pies / sec - 2,750 ft/sec). Estas velocidades más lentas se propagan por la conducción termal y no crean ondas de choque. Esto es conocido como deflagración.

Ondas de Choque

Las ondas de choque son una importante caracteristica de una reacción de detonación. Usted ya está familiarizado con las ondas de choque de los materiales no-explosivos. Un avión que rompe la barrera del sonido genera una onda de choque en el aire. Esta onda de choque es tan intensa que podemos oír el avión pasar de antes de que lo veamos. Nosotros lo llamamos un estampido sónico. La creación súbita de presión atmosférica crea este estampido sónico. Las ondas de choque producen ondas de condensación que producen ondas de tensión, lo que quiebra la roca.

Modelo de Reaccion de Detonación

La figura 2.27 ilustra un modelo de reacción de detonación. Entendiendo la combustión,la detonación y este modelo le ayudan a entender cómo actúan los explosivos.

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Figure 2.27 Detonation reaction model (e.g. ANFO)

Zona de Reacción

Dentro de esta zona de la reacción, ocurren la mayoría de las reacciónes químicas. Aquí la energía explosiva, el calor de detonación, se libera. La ilustración sugiere que la reacción no es instantánea a lo largo de la columna entera o carga de explosivo. Ocurre en un área muy pequeña.

Onda de Choque/Frente de Detonación

Un detonador o booster produce una onda de choque que se propaga al material explosivo. Este traslado de energía empieza la reacción de la detonación. La onda de choque, el brisance del explosivo, pasa a través de la piedra como olas de condensación. Estas olas se reflejan desde una cara libre. Las olas reflejadas se intersectan con olas que todavía radian del blasthole. En su punto de intersección, se forman las nuevas olas de 90º tirando en direcciones opuestas. Esto crea la tensión en la piedra. Mientras nada interfiera, estas olas no se atenúan (fade) sino que permanece firme hasta que todo el material explosivo se consuma. la roca es mucho más débil en la tensión que bajo compresion. Este fenómeno se ilustra en Figura 2.28.

Shock Wave Moving Out Into Rock

Shock Wave / Detonation Front CO2 + 7H2 O + 3N2

3NH NO + CH 4 3 2

Unreacted Product Products of Detonation

Detonation Head Area (Detonation Triangle Reaction)

Expansion of Detonation Products Reaction Zone

ANFO

Gases heating and creating borehole

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Figure 2.28 Blast mechanics creating tension

Cabeza de Detonación

La cabeza de la detonación es la región de alta presión y densidad. Ésta es el área dónde ocurre la reacción redox . La forma de la cabeza de la detonación depende de la geometría de la carga y cambia mientras viaja fuera de la fuente de la iniciación. Inicialmente la forma de la cabeza de la detonación es como un cono truncado. Luego toma la forma de un cono.

La densidad dentro de la cabeza de la detonación es constante e iguala a aproximadamente 1.25 veces la densidad del explosivo. La distancia de la iniciación a la cabeza totalmente formada es aproximadamente 3.5 diámetros de carga para las cargas no confinadas. Esto corresponde a la distancia requerida para que un explosivo pueda lograr su velocidad de estado estable (Vea el próximo párrafo - detonación ideal). Los factores medioambientales, asi como las temperaturas ambiente bajas, presencia de agua, y la resistencia al agua de los explosivos afectan esta distancia.

Blast Mechanics

Intersecting

Compression

waves create

Tension waves

in the Rock

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Durante la detonación ideal, todos los ingredientes explosivos se consumen en la cabeza de la detonación. Cuando una detonación no ideal tiene lugar, algunos de los ingredientes reaccionan fuera de la cabeza de la detonación.

Figure 2.29 Detonating cartridge of Blastex™

Iniciación de Explosivos

La iniciación de una carga explosiva no detona toda la carga instantáneamente. La figura 2.29 muestra un cartucho de Blastex® durante el proceso de la detonación. La detonación esta viajandp de izquierda a derecha. Vea qué tanto la reacción en este cuadro se parece a la del modelo mostrada en Figura 2.27. Aunque éste es un cartucho detonante, usted puede asumir una columna de explosivos a granel reaccionando en forma similar.

TIPOS DE EXPLOSIVOS

Hay dos tipos básicos de explosivo. Ellos son llamados molecular y compuesto. El Molecular a veces es llamado explosivo ideal.

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Recuerde de la discusión en este capítulo, que la velocidad de la detonación es una de las características de actuación más significantes de un explosivo ya que la presión de la detonación y por consiguiente, la presion del borehole se derivan de ella.

Los explosivos moleculares son explosivos ideales dónde se unen los combustibles y oxidantes al nivel atómico dentro de la molécula. La distancia entre un átomo de combustible y un átomo de oxidante en el explosivo molecular, es medido en Angstromes (10-8 centímetro o 1/100 millonésimo de un centímetro). Esto proporciona un muy eficaz explosivo, ya que que los combustibles y oxidantes están tan íntimamente mezclados, que la reacción de la detonación puede proceder a alta velocidad . la figura 2.30 ilustra un modelo de una molécula típica , combustibles y oxidantes unidos a nivel molecular en un explosivo. Las características de los explosivos moleculares son :

• Alta sensibilidad

• Diametro critico Pequeño

• Alta velocidad de detonación

Figure 2.30 Typical molecule with bonded atoms

Dyno Nobel Inc. Usa explosivos moleculares para fabricar sus productos explosivos. La figura 2.31 los lista para usted.

Molecular Explosives

Products used in

NG

NG Dynamites

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TNT

Cast Boosters

PETN

Cast Boosters

Detonating Cord

Detonators (base charge)

MTN

Non-NG Dynamites

DEGDN

Non-NG Dynamites

Molecular Sensitizers

Products used in

MAN

Water Gel

EGMAN

Water Gel

MMAN

Water Gel

HMTN

Water Gel

EAN

Water Gel

Figure 2.31 Dyno Nobel Inc. molecular explosives and their use

Explosivos Compuestos

Los explosivos moleculares, a diferencia de los explosivos compuestos, son las mezclas físicas de explosivo e ingredientes no-explosivos. Para los explosivos compuestos, la intimidad del combustible y oxidante es dependiente del tamaño de partícula del ingrediente. La facilidad de iniciación y facilidad de sostener una reacción de detonación a lo largo de la carga explosiva es directamente dependiente del combustible y tamaño de partícula del oxidante y la intimidad de la mezcla del ingrediente. Salvo las emulsiones bien-refinadas, los explosivos compuestos no tienen mezclas de combustible/oxidante muy íntimas cuando se comparan con explosivos moleculares, ni son tan eficaces .Una entrada de energía generalmente mayor se exige para iniciar y sostener la onda de la detonación. Algunos explosivos compuestos deben tener sensibilizadores agregados a la fórmula para hacerlos capaz de detonar. Ejemplos de explosivos compuestos en esta categoría son: • Dynamita • ANFO • Water Gels • Emulsiones • Mezclas (Emulsion/ANFO)

Figure

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References

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