• Author / Uploaded
• Saira Rabanal Ibañez

• Categories
• Plasma (Física)
• Descarga electrostática
• Minería
• Soldadura
• Gases

Citation preview

TÍTULO: Voladura con plasma RESUMEN En el presente documento se describe la tecnología de fragmentación de roca mediante plasma, que se basa en la activación de reacciones térmicas confinadas en el interior de perforaciones dentro del macizo rocoso. Se denomina plasma al gas ionizado en el cual la mayoría de los átomos o moléculas se han transformado en iones positivos al perder uno o varios electrones. En general el plasma es una mezcla de tres componentes: átomos o moléculas, iones positivos y electrones libres. El plasma es el estado de la materia con mayor presencia en el universo. El Sol y las estrellas pueden ser considerados grandes concentraciones de plasma caliente. Toda descarga gaseosa como relámpago, chispa y arco eléctrico está asociada a la aparición de plasma, incluso la llama ordinaria, aunque en grado menor, está ionizada, es decir, es plasma. Actualmente la tecnología ha evolucionado hacia el uso de mezclas metálicas que producen reacciones térmicas que tienen la ventaja de generar altas densidades de energía, insensibilidad al impacto, alta temperatura de combustión y un amplio rango de producción de gases. Las vibraciones producidas por esta tecnología son del orden del 10 % de la generadas por las emulsiones, debido esencialmente a la no producción de ondas de esfuerzo al ser reacciones químicas subsónicas con VOD del orden de 300 m/seg. La principal característica que permite aplicar plasma en la fragmentación de roca en zonas sensibles, es la escasa proyección de partículas de roca debido a la corta duración del pulso de presión que producen los gases ionizados, total o parcialmente, a altas temperaturas, en cuyo caso los gases se transforman rápidamente a fases más condensadas como líquidos o sólidos.

ABSTRACT Herein technology rock fragmentation by plasma, which is based on thermal activation reactions confined within holes in the rock mass, is described. Is called the ionized gas plasma in which the majority of the atoms or molecules have become positive ions by losing one or more electrons. In general, the plasma is a mixture of three components: atoms or molecules, positive ions and free electrons. Plasma is the state of matter with a greater presence in the universe. The sun and the stars can be considered great hot plasma concentrations. All offgas as lightning, sparks and arcing is associated with the occurrence of plasma, even the ordinary flame, to a lesser degree, is ionized, i.e., it is plasma. Current technology has evolved to the use of metal mixtures which produce thermal reactions which have the advantage of generating high energy densities, insensitivity to impact, high combustion temperature and a wide range of gas production. The vibrations produced by this technology are in the order of 10% of the generated emulsions, mainly due to non-production of stress waves being subsonic chemical reactions with VOD the order of 300 m / sec. The primary feature which allows to apply plasma rock fragmentation in sensitive areas, is the limited projection of rock particles because of the short duration of the pressure pulse produced by the ionized gases wholly or in part, at high temperatures, in which case gases are rapidly converted to more condensed phases as liquid or solid.

PALABRAS CLAVES

KEY WORD

I. Introducción: Hay un gran interés en la fragmentación de rocas en áreas tales como túneles, canteras y la minería. Convencionalmente, voladura con explosivos es el método generalmente empleado en los trabajos de excavación. Debido a los problemas de vibraciones, el ruido y la dispersión de piedras, este método está prohibido el uso de cerca de importantes edificios y zonas residenciales. Las alternativas a este método son la rotura por tales máquinas de trituración como grandes Breakers y por sustancias químicas. Sin embargo, tales métodos de rotura son altos en costo y se observaron los problemas de la disminución en el rendimiento rompedor. Tecnología de voladura Plasma (PBT), se basa en la activación de reacciones térmicas confinadas en el interior de perforaciones dentro del macizo rocoso. Implica la producción de una descarga eléctrica por impulsos mediante la inserción de una sonda de voladura en una cavidad llena de agua perforado en una roca, que produce los choques o las ondas de presión en el agua. Estos impulsos se propagan entonces en la roca, lo que lleva a la fractura. En comparación con el método de voladura convencional tales como máquinas de perforación de rocas, la tecnología PBT es más amigable con la tierra, ya que causa menos vibraciones, el ruido y el polvo, y no utiliza sustancias químicas.

II. Desarrollo del tema: 2.1 Definición de plasma: ¿Qué es el Plasma? Un producto no explosivo compuesto por sales metálicas que trabaja confinado en la roca, se puede utilizar encartuchado y a granel, al aplicar un alto voltaje el sistema de iniciación genera una chispa generando una reacción termo química, en este momento se genera una súper elevada temperatura y presión, originándose rápidamente una gran energía de expansión. Con un apropiado taco se optimiza el uso de la energía del gas y se asegura una buena fragmentación, originando reducidos desplazamientos, vibraciones y ruidos. 2.2 El plasma y la fragmentación de rocas El plasma es un gas ionizado, un gas a alta temperatura, se dice que es el cuarto estado de agregación de la materia. Las estrellas, el sol, los rayos, son ejemplos de plasmas en la naturaleza. También es posible producir plasmas con métodos tecnológicos; los tubos fluorescentes, la soldadura al arco, son ejemplos de plasmas producidos para aplicaciones específicas. Una de las formas de producir plasmas es con descargas eléctricas pulsadas. Por ejemplo entre dos electrodos entre los que hay gas se aplica alto voltaje (miles de volts) en un tiempo muy corto (fracciones de segundo), así el gas se ioniza, produciendo un “rayo”. El proceso de ionización puede dar origen a una onda de choque. Esta onda de choque va transfiriendo energía de manera muy rápida a su medio circundante. Mientras más rápida es la transferencia de la energía, mayor es la potencia del proceso.

Este mecanismo puede ser usado para fragmentar rocas. En este caso el gas es reemplazado por un medio líquido, un electrolito. Se introduce en la roca un cartucho que contiene el electrolito y los electrodos. Al conectar estos electrodos a un generador de potencia pulsada (un banco de condensadores) se produce la ruptura dieléctrica del electrolito, generando un plasma, y una onda de choque en un medio incompresible. Esta fuerza expansiva es el inicio de un proceso de propagación de fracturas dentro de la roca, proceso que finalmente culmina con la roca fragmentada. El sistema de fragmentación de rocas por plasma tiene las ventajas que produce bajas vibraciones y poca cantidad de gases tóxicos. En una excavación controlada de roca es muy importante proteger las estructuras ya existentes, el método de fragmentación por plasma produce vibraciones menos intensas que los métodos convencionales con explosivos. Por otro lado, el explosivo produce gran cantidad de gases tóxicos, en cambio el método por plasma no produce gases tóxicos, y los que se producen son en cantidades muy pequeñas y con baja dispersión. En la actualidad existen sistemas comerciales de fragmentación de rocas por plasma, sin embargo la información técnica relevante se mantiene de manera reservada (duración y energía de la descarga eléctrica, componentes del electrolito, geometría de los electrodos, etc.). 2.3 Desarrollo del plasma en la historia: •En 1960 el Instituto de Minas junto con el Instituto de Mecánica Teórica y Aplicada de Siberia, rama de la Academia de Ciencias de la ex URSS, comenzó el trabajo de fragmentación con plasma. •En Queen's University, también se venía tocando el tema, pero no se desarrolló. • Recién en los a los 90. Corea del sur, comentó a investigar más acerca de esta nuevo explosivo Como reemplazo de las fracturas de rocas y hormigón armado en zonas urbanas, debido a las estrictas normas existentes en cuanto a vibraciones, ruido y fly-rock. • Al mismo tiempo, Noranda (empresa minera canadiense) ha estado investigando al plasma como explosivo, en su Centro de Tecnología en Pointe-Clare. Quebec., Cerca de Montreal, durante los últimos ocho años. Un equipo de seis profesionales encabezados por J.H. Mantel. Se busca desarrollar al PLASMA como la mejor y más actual tecnología existente a nivel mundial para realizar el fracturamiento sustentable de rocas, y así permitimos trabajar cerca a comunidades, sitios arqueológicos, etc. III. Resultado: IV. Discusión: V. Conclusiones:

VI. Agradecimiento: VII. Referencias Bibliográficas:

2Grafica comparativa de las presiones en los dos sistemas de fragmentación.

Esta grafica explica los niveles de presión inicial limite máxima alcanzada por los explosivos generales (5000 atm) v/s una capsula contenedora de plasma (C.S. KIM). El gráfico muestra que al mantener 10atm contra un espacio expansivo más de 500. http://www.explonun.cl/descargas/ficha-tecnica-plasma-(w)-03-07-09.pdf veces mayor que el volumen de la muestra, se generan continuamente vibraciones, proyecciones de rocas y ruido a lo largo de todo este gran espacio, por la difusión del gas generado Después de el fracturamiento de el objetivo deseado. La cápsula C.S.KIM que es usada en la tecnología de plasma genera presiones súper elevadas, con una presión máxima inicial mayor que 20,000atm. Esta presión se reduce rápidamente a la vez que rompe el objeto deseado. Esto indica que la generación de vibraciones, proyecciones de rocas y ruido pueden minimizarse, propiciando un espacio de trabajo seguro. Es posible producir plasmas con métodos tecnológicos; los tubos fluorescentes, la soldadura al arco, son ejemplos de plasmas producidos para aplicaciones específicas. Una de las formas de producir plasmas es con descargas eléctricas pulsadas. Por ejemplo entre dos electrodos entre los que hay gas se aplica alto voltaje (miles de volts) en un tiempo muy corto (fracciones de segundo), así el gas se ioniza, produciendo un "rayo". El proceso de ionización puede dar origen a una onda de choque. Esta onda de choque va transfiriendo energía de manera muy rápida a su medio

circundante. Mientras más rápida es la transferencia de la energía, mayor es la potencia del proceso. Este mecanismo puede ser usado para fragmentar rocas. En este caso el gas es reemplazado por un medio líquido, un electrolito. Se introduce en la roca un cartucho que contiene el electrolito y los electrodos. Al conectar estos electrodos a un generador de potencia pulsada (un banco de condensadores) se produce la ruptura dieléctrica del electrolito, generando un plasma, y una onda de choque en un medio incompresible. Esta fuerza expansiva es el inicio de un proceso de propagación de fracturas dentro de la roca, proceso que finalmente culmina con la roca fragmentada y con el respectivo desplazamiento de sus componentes. Dentro de las características o condiciones que debemos contar para poder usar esta herramienta se destacan la energía requerida para llevar a cabo la reacción, esta debe proporcionarse con un alto voltaje para poder dar comienzo a la reacción, aquí es donde se propicia la instancia correcta para dar paso a todo el proceso que lleva consigo la obtención de altas temperaturas y presiones, esta metodología de iniciación es muy ventajosa porque a diferencia de otros explosivos lo hace ser muy estable frente a condiciones de roce, golpes, temperaturas o diversos factores que puedan perjudicar su funcionamiento de manera correcta.

Secuencia de trabajo.-

El sistema de iniciación genera un elevadísimo pulso eléctrico de gran voltaje y una gran corriente de rangos entre decenas de kilovoltios a kiloamperios en fracciones de tiempo muy reducidas, de tan solo millonésimas de segundo, al entrar en contacto este pulso generado con el material dieléctrico empleado como reactivo se produce una variación instantánea de parámetros como presión y temperatura, los cuales gobernarán los resultados del proceso, el pulso de plasma crea una onda de choque que transmite su energía a la roca y la fragmenta, al producir este efecto en la roca se permite la dispersión del gas a través de estas fracturas, lo que permite la aparición de una muy baja cantidad de residuos de la reacción. Descripción, forma de utilización y puesta en marcha al estar en terreno.- Disposición de la sustancia dieléctrica en terreno: Características técnicas de los pozos donde será introducida la sustancia: 1.

Barrenos de diámetro de 1,18 a 6,5 pulgadas

2.

Barden y espaciamiento hasta 3 m.

3.

Profundidad de perforación hasta 16 m.

Carguío, reacción y método de influencia en el espacio circundante.-

En este esquema se aprecia que el mecanismo de expansión es muy similar al de los explosivos convencionales, solo diferenciándose por los niveles de presión inicial y por la elevada temperatura desarrollada por el proceso. Otro caso de aplicación para este tipo de tecnología es la de perforación de pozos mediante plasma. Aquí los pioneros para su desarrollo es La Universidad de Strathclyde, Glasgow Escocia, la cual se ha en cargado del estudio de esta nueva tecnología. Sus principales aplicaciones son: 1. Industria del Petróleo. 2. Industria del Gas. 3. Demolición. Funcionamiento Consiste en un bit, uno o más pares de electrodos, un generador de alta potencia eléctrica (envía pulsos de alto voltaje, al menos alrededor de 100 kv, además de una mezcla o sustrato mineral Se puede apreciar una perforación muy limpia, con sus paredes bien definidas.

A continuación se mencionan algunos países y compañías que han aplicado tanto la fragmentación como la perforación mediante la tecnología de plasma Fragmentación: 1. Corea del Sur. 2. Japón. 3. Chile 4. Preferentemente en la industria minera y de la construcción. En la actualidad en Chile se sabe de estudios de pre factibilidad por parte de compañías mineras para implementarla en sus faenas, pero por motivos estratégicos no han salido a la luz pública, además de presentar inconvenientes con los volúmenes de plasma requeridos, algunos casos destacados en nuestro país es la Compañía minera Escondida operada en Chile por Bhp Billiton, la cual ha realizado estudios sobre esta tecnología, pero no la ha puesto en práctica, otra compañía minera que ha realizado estudios y ha mostrado interés en el desarrollo del tema es “El Soldado”, para ambos casos su aplicación busca realizar operaciones de expansión segura para evitar derrames de material desde bordes superiores de bancos hacia niveles inferiores, además de buscar un menor deterioro del macizo rocoso en zonas que puedan resultar comprometedoras para la seguridad al momento de encontrarse personal en terreno. Perforación: 1. Shell 2. Statoil

3. Consejo de Investigación de Noruega 4. Principalmente ligado a la industria petrolera y del gas Para poder realizar la fragmentación mediante plasma, las sales metálicas deben ser introducidas en pozos muy similares a los de los explosivos tradicionales. La perforación es similar a la requerida para la tronadura con explosivos, pero pudiendo ser de mayor densidad dependiendo del tipo de roca a fragmentar vale decir realizando mayor cantidad de perforaciones en un área determinada Carguío de los pozos: A cada barreno se le introduce un cartucho que contiene el electrolito, el cual a su vez está conectado a los 2 electrodos y estos a su vez están conectados al equipo generador de la descarga eléctrica.

Cartuchos que contienen las sales metálicas.

A continuación se hará una breve descripción a modo de resumen de esta tecnología.- Principio de utilización: Utiliza la fuerza expansiva de los sólidos. (Mezcla metálica inorgánica de expansión rápida) Iniciador: Chispa de alto voltaje Seguridad: A salvo del calor, choques y fricción No se presta para poder usado con fines diferentes a los deseados por la industria de la construcción y de la minería. Impactos sobre el ambiente: Muy pocas vibraciones, ruidos y esquirlas de roca. Cuando se enciende al aire libre, no se ocasiona ningún daño directo sobre el entorno ya que no hay un estallido sino una combustión. Pocas quejas generalizadas, cero gas toxico Permisos requeridos para su manipulación: La manipulación no requiere de un técnico licenciado.

La ignición por pequeñas corrientes es imposible. Eficiencia laboral y económica: Es posible trabajar cerca de edificaciones Es posible organizar un fracturamiento planificado Gran capacidad diaria de fractura para trabajos de obras civiles. 3Especificaciones del producto: Es un producto No Explosivo, que trabaja confinado, dentro de una perforación con diámetros de: 1.

Cartucho de diámetro de 30mm (serie 200-300)

2.

cartucho de diámetro de 40mm (serien 400-600)

1.

Granel en diámetros de 2.5, 3.0, 5.5 y 6.5 pulgadas

2.

Profundidad de perforación hasta 16m con burden y espaciamiento de 3m (en diámetro de 6,5”).

Características técnicas: 1.

Presión de expansión: 20.000 atm.

2.

Vibración (5m) M 0.5 cm/sec (kine)

3.

Vibración (10m) M 0.1 cm/sec (kine)

4.

Ruido (5m) 86db

5.

Ruido (10m) 80db

6.

Frecuencia de Vibración 400 ~ 500 Hz

7.

Distancia en que desaparece la vibración < 10 m

8.

Producción de Gas < 5%, pequeña cantidad de aire (N2, O2)

1.

Ficha técnica plasma Explonun ltda.

1.

Efecto ambiental: Buena compatibilidad ambiental debido a la baja vibración, proyección y ruido son muy bajos

2.

No se producen gases tóxicos.

3.

Seguridad Rxn Temperatura bajo de 1000ºC, Rxn Presión sobre 5.000 atm.

Sistemas de iniciación del plasma: Los sistemas de iniciación son portátiles con conexión a corriente continua de 220V y con baterías recargables. Para la utilización de plasma se puede contar con sistemas de iniciación simultánea. Equipo con conexión a corriente continua 220V 1. Equipos hasta 40 cápsulas 2. Equipos hasta 100 cápsulas. Capacidad de iniciación simultánea o con retardos: 1. Equipo con conexión a corriente continua 220V 2. Equipo hasta 400 cápsulas simultáneas. 3. 100 capsulas por canal con 4retardos. Equipo con baterías recargable 4. Equipo hasta 240 cápsulas simultáneas. 5. 20 capsulas por canal con 12 retardos. Equipo con baterías recargable Equipo hasta 180 cápsulas simultáneas. 15 capsulas por canal con 12 retardos. Una correcta metodología a seguir en terreno para el correcto funcionamiento en terreno seria: • Caracterización geotécnica de franja de borde para prever riesgos. • Diseño de perforación para fractura con plasma • Diseño de secuencia de fractura • Carguito y fractura con plasma • Control geotécnico de terreno post fractura. Análisis.Mi búsqueda personal a través de los metabuscadores no fue muy productiva debido a que a través de Delphion sólo pude revisar la sección gratuita, razón por la cual mi universo de investigación se redujo enormemente, aparte como es una tecnología nueva no se cuenta con muchos antecedentes, la única patente que encontré y tiene algo de relación con el tema es US7270195B2, en la cual se detallan algunos nexos con otras líneas investigativas común por ejemplo con la patente US20050150688A1, aquí me pude dar cuenta que Tetra corporation es una de las compañías pioneras en el desarrollo de esta tecnología. Mientras que la búsqueda de papers realizada a través de Scirus arrojó un universo de posibilidades de 8.962 papers pero de los cuales muy pocos estaban relacionados a mi búsqueda y la mayoría hablaban sobre diversos temas de minería, esto se debió a la combinación booleana empleada.

Mientras que la búsqueda en Copernic fue la que mas resultados provechosos me trajo, personalmente encuentro que arroja resultados más directos. Conclusiones y Recomendaciones.La utilización de esta nueva tecnología presenta grandes ventajas para optar por su utilización en condiciones de trabajo inseguras o inestables, como puede ser en condiciones de posibles derrumbes por inestabilidades en el macizo rocoso, en la demolición de estructuras de obras civiles en zonas pobladas, razón por la que creo Que su desarrollo será vertiginoso de aquí a un par de años más, tan solo falta ajustar algunos conceptos como por ejemplo las cantidades de plasma requeridas para algunas tareas y los tamaños de fragmentos obtenidos, además quiero recalcar su gran afinidad con el medio ambiente, lo que lo hace ser muy bien evaluado. Algo que merece especial atención es su gran confiabilidad y seguridad al ser operada, puesto que como se vio en este documento no se requiere de ningún permiso para operar esta tecnología, claro está que no cualquier tipo de persona lo puede manipular, debe tener cierta experiencia en el tema, pero no como en el caso de explosivos convencionales, producto que estos pueden ser usados con otros fines que pueden resultar perjudiciales para la sociedad. Debo mencionar que la empresa pionera en Chile para el trabajo del plasma es Explonun ltda. Sobre los principales involucrados en la investigación y el desarrollo de esta tecnología he observado que junto con “University of Strathclyde”, “Tetra Corporation” lleva patentando sobre esta tecnología activamente, encontrándose los primeros antecedentes de patentes desde 1985 en adelante.