Manual de Voladuras, Apuntes de Ingeniería Minera

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C APÍTULO 1

Explosivos

a) Generalidades

b) Mecánica de rotura

C APÍTULO 2

Clasificación de los explosivos

C APÍTULO 3

Características y propiedades de los explosivos

C APÍTULO 4

Rocas

a ) Clasificación (Resumen)

b) Características

c) Propiedades mecánicas

C APÍTULO 5

Geología y sus efectos en voladura

C APÍTULO 6

Perforación

a ) Generalidades

C APÍTULO 7

Cebado o primado de explosivos

a ) Carga de taladros en superficie y subsuelo

b) Carguío mecanizado en superfici e

C APÍTULO 8

Métodos de iniciación

a ) Iniciación con mecha de seguridad

b) Iniciación con cordón detonante

c) Iniciación con sistema eléctrico (convencional

y secuencial)

d) Iniciación con detonadores no eléctricos de retardo

e) Comentarios prácticos sobre los sistemas iniciadores

C APÍTULO 9

Voladura de rocas

a ) Voladura de bancos en superficie. Fundamentos

b) Voladura convencional, método práctico, canteras y tajos.

c) Trazos y salidas

d) Voladura de cráter. Generalidades

e) Voladura de gran proyección: Cast Blasting.

Generalidades

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69

77

89

109

159

pág.

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INDICE

CAPÍTULCAPÍTULCAPÍTULO 1 CAPÍTULCAPÍTUL

O 1O 1O 1O 1

mientras que la detonación es de carácter supersónico, pues las ondas de compresión se propagan a velocidad mayor que la del sonido con respecto al medio gaseoso resultante.

En ambos casos la turbulencia de los productos gaseosos dará lugar a la formación de la “onda de choque” y la región de esta onda donde la presión aumenta rápidamente se denomina “frente de choque”, que es precisa-mente donde transcurren las reacciones físico-químicas que transforman progresivamente a la materia explosiva en sus productos finales. En general, respecto a la velocidad, los explosivos son considerados como: a. Deflagrantes: cuando la velocidad está por debajo de los 1 000 m/s. b. Detonantes de bajo régimen: de 1 000 a 1 800 m/s (transición entre deflagración y detonación). c. Detonantes de régimen normal; con velocidades entre 1 800 y 5 000 m/s (categoría a la que pertenecen casi todos los explosivos de uso industrial). d. Detonantes de alto régimen: cuando la velocidad está por encima de los 5 000 m/s (es el caso de los altos explosivos de uso militar).

Desde el punto de vista de aplicación en la voladura de rocas, la reacción de detonación se traduce en un fuerte efecto de impacto triturador, mientras que en una deflagración este efecto es muy limitado.

Donde se deduce que cuando W tiene un valor negativo, es decir cuando las partículas se mueven en el sentido contrario al avance de la reacción de óxido-reducción, se tendrá que VOD < S, lo que significa que la velocidad de avance de la reacción es menor que la velocidad del sonido. En este caso se tiene un fenómeno de simple combustión o deflagración subsónica.

En resumen, deflagración y detonación son fenómenos de óxido-reducción, siendo la deflagración de carácter subsónico, pues las ondas de compresión o dilatación de baja densidad se propagan con una velocidad menor o igual que la del sonido dentro de los gases resultantes como producto de la combustión rápida,

CAPÍTULO 1

EXPLOSIÓN

La explosión, por su parte, es un fenómeno de naturaleza física, resultado de una liberación de energía tan rápida que se considera instantánea. La explosión es un efecto y no una causa.

En la práctica se consideran varios tipos de explosión que se definen con base en su origen, a la proporción de energía liberada y al hecho que desencadenan fuerzas capaces de causar daños materiales:

A. Explosión por descomposición muy rápida

La liberación instantánea de energía generada por una descomposición muy rápida de materias inestables requiere una materia inestable (explosivo) y un procedimiento de detonación.

B. Explosión por oxidación muy rápida del aire

La liberación de energía generada por oxidación muy rápida de un vapor, gas o polvo inflamable (gasolina, grisú en las minas de carbón).

C. Explosión nuclear

Este tipo implica la liberación instantánea de energía creada por fusión nuclear, tal como su-cede en una bomba de hidrógeno o por fisión nuclear, tal como sucede en la bomba atómica (uranio).

D. Explosión por exceso de presión

Este tipo de explosión es el resultado de la liberación instantánea de la energía generada por un exceso de presión en recipientes, calderos o envases y puede deberse a diversos factores como calentamiento, mal funcionamiento de válvulas u otros motivos.

E. Ignición espontánea

La ignición espontánea puede producirse cuando tiene lugar un proceso de oxidación lento de la materia sin una fuente externa de calor; comienza lentamente pero va haciéndose más rápido hasta que el producto se inflama por sí solo (carbón mineral acumulado, nitrato de amonio apilado sin ventilación).

Para el caso de los explosivos, a consecuencia de la fase de detonación y más allá del plano CJ, ocurrirá una descompresión y baja de temperatura de los gases hasta que alcancen una condición de densidad y presión que se conoce como “condiciones del estado de explosión”. TERMOQUÍMICA DE LOS EXPLOSIVOS Se refiere a los cambios de energía interna, principalmente en forma de calor. La energía almacenada en un explosivo se encuentra en forma de energía potencial, latente o estática. La energía potencial liberada a través del pro-ceso de detonación se transforma en energía cinética o mecánica. La “Ley de Conservación de la Energía” establece que en cualquier sistema aislado la cantidad de energía es constante, aunque la forma puede cambiar, así: Energía potencial + Energía cinética = cte. Pero no toda la energía suministrada por un explosivo se transforma en trabajo útil, ya que tienen lugar algunas pérdidas, como vemos en el siguiente cuadro.

CAPÍTULO 1

c. Presión de taladro o de trabajo

Es la presión que ejercen los gases sobre las paredes de taladro antes de iniciarse la deformación de la roca. Depende de la densidad de carguío y se define como sigue: en el caso de un taladro total y perfectamente llenada, la presión de taladro es teóricamente igual a la presión de explosión. En realidad será algo inferior, ya que la presión de explosión presupone un fenómeno instantáneo, cuando realmente la transformación del explosivo en gas se produce en aproximadamente un milisegundo o menos. De esta demora resulta una ligera pérdida de presión, tal como lo demuestran las conocidas curvas presión versus tiempo.

Para gran número de explosivos se ha constatado que la presión de taladro obedece aproximadamente a la siguiente ecuación:

PT = PE x dc 2,

donde:

dc : densidad de carguío.

Así, con el anterior ejemplo de la dinamita, con densidades de carguío de 0,8 y 0,9 g/cm 3 y con presión de explosión de 33 kbar, tendremos:

PT = 33 x (0,9)2,5^ = 25 kbar

PT = 33 x (0,8)2,5^ = 19 kbar

La fórmula pierde validez para densidad de carguío demasiado baja.

La presión de explosión decae rápidamente hasta alcanzar lo que se denomina “presión de taladro”, la que igualmente disminuye con la expansión de las paredes del taladro hasta alcanzar el valor de 1 atm (101,325 kPa) al ponerse en contacto con el aire libre, acorde a una curva como la siguiente:

La presión de taladro en términos generales equivale entre el 30 y 70 % de la presión de detonación.

La densidad de carguío (dc) nos da la medida del grado de llenado. Cuando es perfecto sin dejar el menor espacio desocupado tenemos por definición una densidad de carguío igual a uno.

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

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

dc = 0,

Nota: Para fines prácticos la presión de detonación se calcula con cartuchos de 30 mm de diámetro, según la fórmula aproximada:

PD = 0,25 x ρe x VOD 2

donde:

ρe : densidad del explosivo. VOD : velocidad de detonación, con 30 mm de diámetro.

La presión en el taladro es de 100 mil a 200 mil atmósferas.

B. Calor de explosión

Es el calor generado y liberado por el proceso de reacción de un explosivo al ser activado.

Cuando se produce una explosión a presión constante ejerciendo únicamente un trabajo de expansión o compresión, “la Primera Ley de la Termodinámica” establece que:

Qc = Δ((Uc + (P x V))

donde:

Qc : calor liberado por la explosión. Uc : energía interna del explosivo. P : presión. V : volumen.

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

Qc = - Δ Hp

Así el calor de explosión a presión constante es igual al cambio de entalpía y puede estimarse estableciéndose el balance térmico de la reacción,

CAPITULO 1

Esto como valor práctico, pero para referencias más exactas se tendrá en cuenta que el calor a presión constante no tiene interés técnico, pues el proceso de detonación tiene lugar a volumen constante. Para calcular este último es necesario incrementar el calor a presión constante con el consumido en la expansión adibática.

Qmv = Qe + 0,58 x Npg donde:

Npg : número de moles de productos gaseosos.

Y si en vez de calor desprendido por mol se requiere el correspondiente a un kilogramo de explosivo se tendrá:

Qkv = Qmv x 1 000 PM

Así, en el ejemplo anterior resultará:

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

ó

Qkv = 236,18 x 1 000 = 928,74 kcal/kg 254, Notas:

• No se requiere calor para formación de elementos puros como, N, C, H, o Al, por lo que tienen valor cero.
• Si se libera calor durante la reacción se dice que se tiene calor de formación negativo (exotérmica); si se tiene que adicionar calor para producir la reacción se dice que la composición tiene calor de formación positivo (endotérmica).

Qe : calor total de explosión liberado. Qp : calor total de formación de los productos componentes. Qr : calor total de formación de los productos finales resultantes.

Por ejemplo, para el caso del más simple agente de voladura, el ANFO convencional 94/6, podemos calcular su calor de explosión utilizando los calores de formación (kcal/mol) y pesos moleculares de sus componentes, que se obtienen de tablas de manuales de física y química, como:

El balance de reacción del ANFO es:

3NH 4 NO 3 + 1CH 2 CO 2 + 7H 2 O + 3N 2 (explosivo) (productos de reacción)

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

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

Para los productos de reacción (Qr):

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

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

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

El peso molecular (PM) del explosivo según los valores de tabla es:

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

El calor de explosión obtenido se divide entre el número de gramos de la mezcla para normalizar la reacción a un gramo o unidad base de peso.

Como usualmente se emplea el kilogramo como unidad, al multiplicar el resultado por 1 000 g/kg resulta:

QKp = 229,8 kcal x 1 000 g/kg = 903,7 kcal/kg 254,3 g

multiplicando los calores de formación de los productos finales por el número de moles que se forma de cada uno, sumándolos para restar a continuación el calor de formación del explosivo.

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

O también dicho de otro modo:

Qe = Qp – Qr

donde:

CAPÍTULO 1

Producto Calor de Formación Peso molecular (kcal/mol) (g)

Nitrato de amonio NH 4 NO 3 -87,3 80, Petróleo diesel 2 CH 2 -7,0 14, Dióxido de carbono CO 2 -94,1 44, Agua H 2 0 -57,8 18, Nitrógeno N 0,0 14,

MECÁNICA DE ROTURA DE ROCAS

A. Proceso de fracturamiento

La fragmentación de rocas por voladura comprende a la acción de un explosivo y a la consecuente respuesta de la masa de roca circundante, involucrando factores de tiempo, energía termodinámica, ondas de presión, mecánica de rocas y otros, en un rápido y complejo mecanismo de interacción.

Este mecanismo aún no está plenamente definido, existiendo varias teorías que tratan de explicarlo entre las que mencionamos a:

• Teoría de reflexión (ondas de tensión reflejadas en una cara libre).
• Teoría de expansión de gases.
• Teoría de ruptura flexural (por expansión de gases). - Teoría de torque (torsión) o de cizallamiento. - Teoría de craterización. - Teoría de energía de los frentes de onda de compresión y tensión. - Teoría de liberación súbita de cargas. - Teoría de nucleación de fracturas en fallas y discontinuidades.

Estas teorías se basan en criterios sobre distribución de energía, acción de fuerzas de compresión-tensión, reflexión de ondas de choque en la cara libre, efectos de corte y cizallamiento por movimiento torsional entre taladros, presión de gases súbitamente aplicados sobre la roca y liberación de cargas, ruptura de material rígido por flexión, integración o nucleación de microfracturas en fisuras y fallas, colisión de fragmentos en el aire y otros, sustentados basándose en especulaciones, investigaciones en laboratorios especializados y campos de pruebas, modelos físicos y matemáticos, pruebas experimentales y de producción controladas por fotografía de alta velocidad y monitoreo sísmico, pruebas con cargas subacuáticas y otros.

CAPÍTULO 1

Algunas teorías se comprueban en ciertas condiciones de trabajo mientras que en otras condiciones no responden, por lo que aún no se consideran concluyentes.

Una explicación sencilla, comúnmente aceptada, que resume varios de los conceptos considerados en estas teorías, estima que el proceso ocurre en varias etapas o fases que se desarrollan casi simultáneamente en un tiempo extremadamente corto, de pocos milisegundos, durante el cual ocurre la completa detonación de una carga confinada, comprendiendo desde el inicio de la fragmentación hasta el total desplazamiento del material volado.

Estas etapas son:

a. Detonación del explosivo y generación de la onda de choque. b. Transferencia de la onda de choque a la masa de la roca iniciando su agrietamiento. c. Generación y expansión de gases a alta presión y temperatura que provocan el fracturamiento y movimiento de la roca. d. Desplazamiento de la masa de roca triturada para formar la pila de escombros o detritos.

B. Descripción del proceso

Inmediatamente después de la detonación, el efecto de impacto de la onda de choque y de los gases en rápida expansión sobre la pared del taladro, se transfiere a la roca circundante, difundiéndose a través de ella en forma de ondas o fuerzas de compresión, provocándole sólo deformación elástica, ya que las rocas son muy resistentes a la compresión. Al llegar estas ondas a la cara libre en el frente de voladura causan esfuerzos de tensión en la masa de roca, entre la cara libre y el taladro. Si la resistencia a tensión de la roca es excedida, ésta se rompe en el área de la línea de menos resistencia (burden), en este caso las ondas reflejadas son ondas de tensión que retornan al punto de origen creando fisuras y grietas de tensión a partir de los puntos y planos de debilidad naturales existentes, agrietándola profundamente (efecto de craquelación).

Casi simultáneamente, el volumen de gases liberados y en expansión penetra en las grietas iniciales ampliándolas por acción de cuña y creando otras nuevas, con lo que se produce la fragmentación efectiva de la roca.

Si la distancia entre el taladro y la cara libre está correctamente calculada la roca entre ambos puntos cederá, luego los gases remanentes desplazan rápidamente la masa de material triturado hacia adelante, hasta perder su fuerza por enfriamiento y por aumento de volumen de la cavidad formada en la roca, momento en que los fragmentos o detritos caen y se acumulan para formar la pila de escombros.

En esta etapa se produce fragmentación adicional por el impacto de los trozos de roca en el aire.

La reacción del explosivo en el taladro es muy rápida y su trabajo efectivo se considera completado cuando el volumen de la masa se ha expandido a 10 veces el volumen original lo que requiere aproximadamente 5 a 10 milisegundos.

Normalmente el trabajo de fragmentación es más eficiente en las rocas compactas y homogéneas que en las naturalmente muy fisuradas, ya que en ellas los gases tenderán a escapar por las fisuras disminuyendo su energía útil.

Teóricamente la detonación tiene un efecto de expansión esférica pero como normalmente los explosivos se cargan en taladros o huecos cilíndricos, la detonación tiene expansión cilíndrica donde, como consecuencia de la dilatación del taladro en un entorno rígido, se crea un proceso de “fisuramiento radial”, que da lugar a la formación de “planos de rotura verticales concordantes con el eje del taladro”.

La rotura de rocas requiere condiciones fundamentales como: a. Confinamiento del explosivo en el taladro

Para lograr el mejor acoplamiento con la pared interior que permita transferir la onda de choque a la roca. Explosivo suelto, presencia de vacíos o desacoplamiento disminuyen enormemente este efecto.

b. Cara libre

Es indispensable para la formación y retorno de las ondas de tensión reflejadas que provocan la fragmentación. Si la cara libre es inadecuada la voladura será deficiente y si no hay cara libre las ondas de compresión viajarán libremente sin reflejarse, difundiéndose a la distancia sólo como ondas sísmicas.

c. Distancia del taladro a la cara libre

También denominada línea de menor resistencia o “burden”. Debe ser adecuada para cada diámetro de taladro. Si es muy larga la reflexión de ondas será mínima, e incluso nula y la fragmentación se limitará a la boca o collar del taladro como craterización.

Si estas condiciones son adecuadas, el empuje de los gases sobre la masa de roca en trituración provocará además la formación de “planos de rotura horizontales”, a partir de la cara libre como resultado de los esfuerzos de tensión producidos cuando la roca llega a su límite de deformación elástica y a la deformación convexa de la cara libre, donde se forman grietas de plegamiento, de las que nacen los planos de rotura horizontales mencionados. Este proceso se denomina rotura “flexural”.

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