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operações mineirastipos de explosivos1 - introdução
comercialmente, há 4 tipos de explosivos, sendo umdeles utilizado como iniciador (acessórios: cordeldetonante, estopim, espoletas, nonel, etc...).a seleção de um explosivo para uma dada tarefa naengenharia, tal como o desmonte de rocha, pode serclassificada de 3 maneiras:a) altos explosivos (tnt, dinamites);b) baixos explosivos (pólvora);c) agentes detonantes (anfo, anfoa, anfo pesado,slurry, emulsões)
2 - explosivos iniciadores
graças ao seu alto custo, os iniciadores são utilizadossomente para iniciar altos explosivos. após a iniciação,eles produzem um choque intenso, capaz de iniciar uma ondade detonação na carga explosiva.
3 - altos explosivos (explosivos detonantes)
os altos explosivos ou explosivos detonantes, sedecompõem com velocidades na faixa de 1500 a 9000 m/s eproduzem grandes volumes de gases e considerável calor àpressões extremamente altas. o desempenho de tais explosivosdepende principalmente do volume e da temperatura dos gasesproduzidos e da velocidade de detonação.
4 - baixos explosivos (explosivos deflagrantes)
são explosivos de baixa velocidade de decomposição eque, mesmo quando confinados, queimam-se, progressivamente,em um intervalo de tempo muito longo (até 1000 m/s).os explosivos deflagrantes correspondem às pólvoras,compostos pirotécnicos e compostos propulsores paraartilharia e fogos de artifício, sem nenhuma aplicação namineração ou na engenharia, exceto no caso de rochasornamentais.
5 - agentes detonantes
são misturas consistindo de um combustível e umoxidante. o produto final, misturado ou encarchutado, nãopode ser detonado pela espoleta número 8.o agente detonante consiste
primariamente de nitratosinorgânicos e carbonaceos e pode conter substânciasadicionais não explosivas, tal como alumínio em pó ouferrosilício.a reação típica do anfo é:3 nh4no3+ ch2- 7 h2o + co2+ 3 n2os explosivos industriais de uso civil se dividem porsua vez em dois grandes grupos, em ordem de importância pornível de consumo e não de aparição no mercado, são:
agentes explosivos - os principais são:- anfo; - emulsões;- alanfo; - anfo pesado.- hidrogel;essas misturas não levam, salvo algum caso,ingredientes intrinsecamente explosivos.b) explosivos convencionais - necessitam para a suafabricação de substâncias intrinsecamente explosivas queatuam como sensibilizadores das misturas. os mais conhecidossão;- gelatinosos; - pulverulentos;- de segurança (permissível).agentes explosivos:a) anfoqualquer substância combustível pode ser usada com onitrato de amônio para produzir um agente explosivo. nos euano final da década de 50 se utilizava o carvão em pó, quefoi substituído por combustível líquido que permitiamisturas mais íntimas e homogêneas com o nitrato de amônio.o produto mais utilizado é o óleo diesel, que frente aoutros líquidos como a gasolina, querosene e outros,apresenta a vantagem de ter um ponto de volatilidade tãobaixo e, por conseguinte, menor risco de explosões de vapor.a reação de decomposição do sistema equilibrado emoxigênio é:3 nh4no3+ ch2- 3 n2+ 7 h2o + co2± 920 kcal/ga mistura estequiométrica corresponde a 94,3% denitrato de amônio e 5,7% de óleo diesel, que equivale a 3,7litros de óleo diesel para cada 50 kg de nitrato de amônio.a quantidade do combustível afeta a quantidade de gasesnocivos emanados na explosão (co + no). quando nos desmontesos fumos produzidos tem a cor laranja, é um indicativo deuma percentagem insuficiente de óleo diesel, decorrente doanfo ter absorvido água do furo ou não ter sido iniciadocorretamente.o diâmetro da carga influencia no velocidade do anfo: a densidade do anfo é de 0,85 g/cm3velocidade teórica: 5140 m/scomposição: anfo, 94,6% por pesoo diâmetro crítico do anfo é influenciado peloconfinamento e pela densidade de carga. usado dentro de umfuro a uma densidade de 0,8 g/cm3, o diâmetro crítico é de25 mm, enquanto que com 1,15 g/cm3se eleva a 75 mm.
a sensibilidade de iniciação do anfo diminui conformeaumenta o diâmetro do furo. na prática os reforçadores de150 g são efetivos em diâmetro de carga inferiores aos 150mm, e acima desse calibre se recomenda reforçadores de 400 a500 g.o anfo apresenta as seguintes vantagens:- ocupa inteiramente o volume da furação;- possui grande sensibilidade aos choques mesmo apósmisturado;- redução do preço global de explosivo.as desvantagens do anfo são:- falta de resistência à água;- baixa densidade;- necessidade de um iniciador
a velocidade de detonação dos slurrys varia entre 3350e 5500 m/s.d) emulsõeseste grupo de explosivos, que é o mais recente nomercado, mantém as propriedades dos hidrogéis já citados,porém com melhor potência e resistência à água.o interesse deste explosivo surgiu no começo da décadade 60.dentro de um ponto de vista químico, uma emulsão é umsistema bifásico em forma de uma dispersão estável de umlíquido imiscível em outro.as emulsões explosivas são do tipo denominado "água emóleo" em que a fase aquosa está composta por saisinorgânicos oxidantes dissolvidos em água e a fase oleosaestá composta por um combustível líquido imiscível com aágua do tipo hidrocarbonato.
o desenvolvimento dos explosivos tem levado à reduçãoprogressiva das partículas, passando desde os sólidos àssoluções salinas com sólidos e por último, às microgotas de uma emulsão explosiva.
para conseguir uma sensibilização adequada,osexplosivos, quando estes não contém sensibilizantes químicossólidos ou líquidos, precisam de um mecanismo físico como odas bolhas de gás, que ao serem comprimidas adiabaticamenteproduzem o fenômeno de "pontos quentes" (hot spots) quefavorecem tanto a iniciação como a propagação da detonação.os agentes gaseificantes utilizados são constituídospor poliestireno expandido ou microesferas de vidro.
a tendência atual é pelo emprego das emulsões nasoperações de arranque com explosivos em virtude dasnumerosas vantagens apresentadas pelas emulsões:- menor preço, já que sua fabricação não requer asgomas e féculas, de alto custo;- excelente resistência à água;- possibilidade de se conseguir produtos com densidadesentre 1 e 1,45 g/cm3;- elevadas velocidades de detonação - 4000 a 7000 m/s -com pouco efeito do diâmetro do cartucho; - grande segurança na fabricação e manipulação;- possibilidade de mecanizar a carga e prepararmisturas de anfo.e) anfo pesado (heavy anfo)na tecnologia atual de desmonte de rochas éinquestionável que o anfo constitui o explosivo básico.o anfo pesado, que é uma mistura de emulsão base comanfo, abriu uma nova perspectiva no campo dos explosivos.o anfo apresenta uns interstícios ocos que podem serocupados por um explosivo líquido como a emulsão que atuacomo uma matriz energética.algumas das propriedades deste explosivo dependem daspercentagens da mistura e as vantagens principais queapresentam são:- maior energia;- melhores características de sensibilidade;- grande resistência à água;- possibilidade de efetuar cargas com variação deenergia ao longo do furo.f) altos explosivosalfred nobel, químico sueco, em 1875 descobriu que umagrande quantidade de nitroglicerina (ng), que foi descobertaem 1846 pelo químico italiano ascanio sobrero, podiadissolver-se e ficar retida na
nitrocelulose (nc), obtendo-se um produto com consistência plástica de fácil uso emanipulação naquela época.essa gelatina explosiva formada por 92% de ng e 8% denc tinha um balanço de oxigênio nulo e desenvolvia umaenergia superior a ng pura.posteriormente, com intenção de reduzir a potência damistura explosiva, se adicionou substâncias oxidantes ecombustíveis, em proporções adequadas para manter um balançode oxigênio, afim de reduzir consideravelmente o custo defabricação. assim, a percentagem de nc-ng atualmente oscilaentre 30 e 35%, o resto corresponde aos oxidantes como onitrato de amônio, aos combustíveis e a outros produtosespeciais que servem para corrigir a higroscopilidade dosnitratos.as vantagens desse explosivo são:- potências elevadas;- altas densidades, desde 1,2 até 1,5 g/cm3;- elevadas velocidades de detonação, entre 5000 e 6000m/s;- grande resistência à água e estabilidade química;os inconvenientes mais importantes são:- risco de acidentes na fabricação e transporte;- sensíveis a estímulos subsônicos e por conseguinteelevado perigo da maquinaria golpear os tocos com restos deexplosivos;- produz dores de cabeça, pois a ng dilata os vasossanguíneos; - reduzida flexibilidade para a utilização em condiçõesambientais extremas.as principais aplicações destes explosivos ocorrem noarranque de rochas duras, como carga de fundo, em desmontesde baixa pressão de água e em furos úmidos.g) dinamitessão explosivos que resultam da mistura detrinitroglicerina com outras substâncias que a absorvem e aretém; substâncias estas que vão fazer parte do explosivo,comunicando-lhe propriedades ou protegendo-o.as dinamites diferem em tipo e graduação conforme ofabricante, podendo, contudo, serem classificadas segundo osseguintes grupos principais:g.1) dinamites guhr;de interesse puramente histórico (nobel - 1866),resulta da mistura de ng, kieselguhr (farinha de diatomáceas- sio2) e estabilizantes. não é mais usada.c3h5x 3 (no3) + sio2= dinamite guhrg.2) dinamites simples;ne + serragem + oxidante + estabilizante. a serragemsubstitui o kieselguhr como absorvente e o nitrato de sódioé, em geral, o oxidante usado. como estabilizante ouantiácido, usa-se o carbonato de cálcio com cerca de 1%. adinamite simples produz boa fragmentação e é empregada emserviços a céu aberto.g.3) dinamites amoniacais;são dinamites em que parte do nitrato de sódio(oxidante) ou mesmo da base explosiva, é substituída pornh4no3(nitrato de amônio). é mais barata que a dinamitesimples, menos sensível ao choque, bem como tem menorresistência à água.g.4) gelatinas;a "blasting" gelatina ou gelatina explosiva foidescoberta por nobel em 1875. é obtida pela adição denitrocelulose [c4h7(no3)2] à nitroglicerina e fica comtextura de uma goma de mascar. um antiácido é adicionadopara aumentar a resistência à estocagem. usualmente éacrescentada serragem à mistura, com a intenção deestabilizar e aumentar a segurança ao manuseio. a composiçãotípica da "blasting"
e enxofre, nas proporções de 75, 15e 10%, respectivamente. mais tarde o nitrato de potássio foisubstituído por nitrato de sódio (nano3), em menorproporção, e as percentagens de enxofre e carvão foramaumentadas.a pólvora negra é extremamente propensa à auto-deflagração por causa de sua sensibilidade à ignição porchama ou faísca. com densidade de 1,6 g/cm3e velocidade dedetonação de ± 450 m/s, só tem aplicação nos desmontes derochas extremamente macias e em condições em que a ação dechoque é praticamente indesejável, como por exemplo, nocorte de blocos maciços de mármore ou em minas de carvão,visando a produção de carvão grosso.especialmente formulada e contendo materiais inertescomo aditivos, é utilizada em núcleos de estopins. nestecaso, é finamente granulada e convenientemente compactada deforma a apresentar uma velocidade constante de queima.o tamanho, o calor (2000-25000c) e a duração da chamada pólvora, tornam proibitivo seu uso em carvoeirasgrisuosas ou poeirentas.as aplicações da pólvora são limitadas, porque não podeser usada em serviços úmidos e, além disso, produz maisfumaça e gases nocivos do que explosivos. o seu consumo temcaído continuamente.
propriedades dos explosivos1 - densidade
a densidade de um explosivo pode ser expressa em termosde peso específico ou contagem de cartuchos. o pesoespecífico é a razão entre a densidade da massa explosiva ea densidade da água em condições normais de temperatura epressão; normalmente é expressa em g/cm3. o peso específicodos explosivos comerciais varia entre 0,5 e 1,7 g/cm3.com raras exceções, os explosivos com altas densidadestambém apresentam altas velocidades e altas pressões dedetonação.a densidade de um explosivo determina o peso da cargapor unidade de comprimento do furo, e consequentemente podeinfluenciar na razão linear de carregamento:massa da carga / m = densidade x 0,785 x2sendo o expresso em metros e a densidade em kg/cm3.geralmente, a energia do explosivo aumenta com adensidade, contudo não pode ser aplicado para algumasemulsões ou aquagéis.frequentemente, os explosivos com alta densidade eenergia são usados nas cargas de fundo onde o confinamento émaior e onde os espaçamentos são frequentemente maiores(ex.: furos verticais e faces inclinadas).
para detonações difíceis em que uma fina fragmentação édesejada, recomenda-se um explosivo denso.para rochas fragmentadas "in situ", ou onde não érequerida uma fragmentação demasiada, um explosivo poucodenso será suficiente.os explosivos de baixa densidade são os mais utilizadosna produção de carvão ou outros minerais macios.a densidade de um explosivo é deveras importante emcondições de trabalho com água. um explosivo com densidademenor ou igual a 1,0 não deve ser utilizado em furos cheiosde água.
2 - velocidade de detonação (vod)
a velocidade de detonação de um explosivo é a taxa emque a onda de detonação move-se através da carga explosiva,e é um fator importante no desempenho de um explosivo.a velocidade de detonação de um explosivo éinfluenciada pela densidade, tamanho da partícula e grau deconfinamento da carga.a maioria dos explosivos granulares exibem umavelocidade de detonação que é dependente do diâmetro dacarga, e são denominados de não ideal. o ideal é o explosivoque não varia a velocidade de detonação quando o diâmetroaumenta.a velocidade de detonação pode ser expressa paradetonação confinada ou não confinada, e geralmente é medidaem m/s.a velocidade de detonação confinada é a medida davelocidade de deslocamento da onda de choque através dacoluna de explosivo confinada em um furo ou em outro espaçoqualquer.a velocidade de detonação não confinada indica avelocidade de deslocamento da onda quando o explosivo estáao ar livre ou em um espaço não confinado.como geralmente os explosivos são utilizadosconfinados, a velocidade de detonação confinada é maissignificativa.a velocidade de detonação de um explosivo controla ataxa de liberação da energia total do explosivo.explosivos com alta velocidade de detonação exibem altadeformação ou onda de choque, e são mais relevantes para ostipos de rocha que exibem a mínima fratura natural e altosmódulos de young.explosivos com baixa velocidade de detonação (anfo) sãomais apropriados para o desmonte de rochas altamentefraturadas, produzindo energia para executar o deslocamentoda pilha, empolamento e escavibilidade.bauer, em 1984, declarou que a real velocidade dedetonação pode ser usada para calcular a fração do volume deum explosivo envolvido na reação da frente de detonação, deacordo com a equação:% de explosivo reagido = (vodreal / vodideal)²
3 - pressão de detonação
a pressão de detonação de um explosivo, uma função davelocidade de detonação e da densidade do explosivo, é amedida da pressão gerada pela onda de detonação.no mecanismo do desmonte, principalmente nas rochasduras, a reflexão das ondas de choque na face livre éessencial.a seguir apresentamos a fórmula prática para o cálculoda pressão de detonação:p = (4,55 x 10-6x d x v²)/(1 + 0,8d)p = pressão de detonação (kbar)d = densidade do explosivo (g/cm³)v = velocidade de detonação (m/s)uma alta pressão de detonação é preferível para odesmonte de rochas duras ou muito densas. para rochasmacias, uma pressão baixa é suficiente.os explosivos comerciais apresentam pressões dedetonação variáveis entre 70 e
com o enxofrre se este épresente).as reações explosivas são realizadas em um intervalo daordem de 1 microsegundo, por isso é quase impossíveldescobrir exatamente o que ocorre.a situação é complicada ainda mais por causa do fato deque as reações e, consequentemente, os produtos formados,variam com a temperatura e pressão.
2 - termoquímica da explosão
cada substância tem eneergia interna que reside naforma potencial dentro das moléculas. em uma reação químicaa energia interna das substâncias reagindo não é igual àenergia interna dos produtos formados e, consequentemente, adiferença deve ser absorvida durante a reação (energiainterna dos produtos maior do que a energia interna dassubstâncias).
quase sempre a diferença das energias internas aparecena forma de calor e uma das características mais importantesdos explosivos é a grande quantidade de calor liberado pelaexplosão.os produtos de uma explosão sempre incluem gases, e aenergia liberada na forma de calor causa uma expansão dosgases, transformando grande parte do calor em trabalhomecânico, dado pela integral w = p dv, sendo v1 e v2 osvolumes original e final. além disso, uma parte da energia éconsumida ao esquentar os produtos e os arredores.podemos levar em conta o trabalho w feito durante areação e a mudança de energia interna usando a entalpia queé definida como:h = e + pvh = entalpia por mol (cal/mol)e = energia interna por molp = pressão por molv = volume por molentão em uma reação química: h = e + (pv)onde h representa a soma da mudança de energia interna eo trabalho realizado por causa das diferença de pressão evolume entre os produtos e as substâncias originais.valores negativos de h correspondem à emissão decalor (diminuição da energia interna) e valores positivossignificam que o calor é absorvido.a entalpia de formação (ou calor de formação) hf, éa mudança da entalpia quando 1 mol de um composto é formadodos seus elementos, os elementos e o composto encontrando-seem um estado padrão (p = 1 atm e t = 298k). a entalpia deformação é tabelada para todos os compostos comuns. o valorda entalpia de formação é independente da maneira decombinar os elementos, dependendo somente do composto.pela definição, hf = 0 para cada elemento.como hf não depende da maneira de formação, podemosusar valores tabelados para calcular o valor emitido ouabsorvido em uma reação.entalpia de formação
exemplo 1: considere a mistura do nitrato de amônio(nh4no3) com o óleo diesel (ch2). rearrumando a fórmulateremos n2h4o3e escrevendo-a verticalmente:elementos produtos desej. da reação necessidade de o2n2n2nenhumah42 h2o 2o3adeficiência ou excesso: 3 - 2 = 1 excesso de o.c co22h2h2o 1deficiência ou excesso: 3 - 2 = 1 excesso de 0.o resultado é a deficiência de oxigênio para cadaunidade de ch2. desde que cada an tem um oxigênio emexcesso, três unidades de an são necessárias para balancearuma unidade de fo na mistura do anfo:an + fo - co2+ h2o + n23 nh4no3+ 1 ch2- co2+ 7 h2o + 3 n2- cálculos do balanço de oxigênio e do calor liberadocomo foi dito antes, o gás tóxico mais importante é oco, e este gás é produzido quando não existe oxigêniosuficiente para oxidar o carbono completamente, quer dizer,para formar co2. o termo "balanço de energia" se refere àquantidade de oxigênio presente em relação à quantidadeexata necessária para oxidar todo o carbono presente nodióxido. um balanço de -5% significa que a quantidade deoxigênio é de 95% do mínimo necessário e um valor de +8%corresponde à 108% da quantidade mínima.usando os pesos atômicos: h = 1, c = 12, n = 14 e o =16, podemos calcular os pesos moleculares:nh4no3= 80 e ch2= 14então sabemos que 3 x 80 = 240 g de na reagem com 14 gde carbono quando o balanço é perfeito, quer dizer, o óleodeve ser (14 / 254) x 100% = 5,5% por peso de mistura an/fo.- cálculo da percentagem do na será:(240 / 254) x 100% = 94,5% por peso de mistura an/fo.- cálculo do calor da explosão (hf) para o nitrato deamônio e óleo diesel:3 an + 1 fo = co2+ 7 h2o + 3 n23 an + 1 = reagentes3(-87.3) + (-7) = calor de formação dos reagentes (hr)co2+ 7 h2o + 3 n2= produtos(-94.1) + 7(-57.8) + 3(0) = calor de formação dosprodutos (hp)- então: hr = -268 kcal e hp = -498.7 kcal- calor de explosão: hf = hp - hrhf = -498.7 - (-268) = -297.8 kcal- cálculo de kcal por kg:[kcal/kg = (-229.8 kcal / 254g) x (1000 g/kg)]- calor de explosão: hf = -904.7 kcal/kga pesquisa de bo de um explosivo, apresenta uma grandeimportância prática, não só do ponto de vista da formação degases tóxicos, mas porque ela está correlacionada com aenergia da explosão, o poder de ruptura e outraspropriedades do explosivo usado. o máximo de energia é
conseguido quando o bo é zero. na prática, esta condição éutópica.
