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• Anthony Marco Ortiz Huanqui

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION

1

CONTENIDO

INTRODUCCION................................................................................................................ 3 I.

GENERALIDADES.......................................................................................................4 1.1.

HISTORIA............................................................................................................. 4

1.2.

CONOCIMIENTOS PREVIOS...............................................................................7

1.2.1. II.

COMBUSTION...............................................................................................7

EXPLOSIVOS.............................................................................................................. 9 2.1.

INTRODUCCION..................................................................................................9

2.2.

EXPLOSIVOS QUIMICOS..................................................................................10

2.2.1.

COMBUSTION.............................................................................................10

2.2.2.

DEFLAGRACIÓN.........................................................................................10

2.2.3.

DETONACIÓN.............................................................................................10

2.3. III.

ENERGIA PRODUCIDA POR LOS EXPLOSIVOS.............................................15 PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS................................................................17

3.1.

POTENCIA Y ENERGIA......................................................................................17

3.1.1.

METODO DE TRAULZ.................................................................................17

3.1.2.

METODO BALISTICO..................................................................................18

3.1.3.

METODO DE LA POTENCIA SISMICA........................................................19

3.1.4.

METODO DEL CRATER..............................................................................19

3.1.5.

METODO DE APLASTAMIENTO DE UN CILINDRO...................................20

3.2.

VELOCIDAD DE DETONACION.........................................................................20

3.2.1.

METODO D’AUTRICHE...............................................................................21

3.2.2.

KODEWIMETRO.........................................................................................22

3.2.3.

CRONOGRAFO...........................................................................................22

3.3.

DENSIDAD......................................................................................................... 23

3.4.

PRESION DE DETONACION.............................................................................24

3.5.

RESISTENCIA AL AGUA....................................................................................25

3.6.

SENSIBILIDAD...................................................................................................25

3.6.1.

SENSIBILIDAD A LA INICIACION................................................................25

3.6.2.

SENSIBILIDAD AL CHOQUE Y A LA FRICCION.........................................26

3.6.3.

SENSIBILIDAD AL CALOR..........................................................................26

2

3.6.4.

DIAMETRO CRITICO..................................................................................27

3.7.

ESTABILIDAD QUIMICA.....................................................................................27

3.8.

TRANSMISION DE LA DETONACION...............................................................27

3.9.

DESENSIBILIZACION........................................................................................28

3.10.

RESISTENCIAS A LAS BAJAS TEMPERATURAS.........................................29

3.11.

HUMOS........................................................................................................... 29

IV.

TERMOQUIMICA DE LOS EXPLOSIVOS..............................................................30

4.1.

CALOR DE EXPLOSION....................................................................................30

4.2.

BALANCE DE OXIGENO....................................................................................32

4.2.1.

IDENTIFICACION DE PROBLEMA DE MEZCLAS......................................33

INTRODUCCION

3

El uso de los explosivos ha evolucionado constantemente, desde sus inicios que fue extremadamente rudimentario hasta llegar a ser sofisticados ,esto nos proporciona instrumentos muchos mas poderosos para poder extraer materias primas de la tierra y asi poder construir nuestro mundo moderno. El uso de los explosivos es muy complejo y requiere de análisis preliminares para poder utilizarlos con buen provecho. Los explosivos se pueden utilizar tanto en minas a cielo abierto ( estas se componen de tajos y canteras , la diferencia es la que la extracción de materia prima en canteras para un uso especifico , como para la elaboración de cemento ) y en minas subterráneas, con debido control para su transporte y almacenamiento. Los explosivos mas utlizados en la industria de las voladuras son, mezcla de solidos o de solidos y liquidos, que realizan una descomposición rápida y violenta , dando por resultado una conversión a grandes volúmenes de gas . La descomposición de los altos explosivos se efectua con una rapidez muy alta , sin embargo en el caso de los bajos explosivos la descomposición es mucho mas lenta , simulando una combustión o quemado rápido .Los altos explosivos se denominan explosivos detonantes , en tanto loas bajos explosivos se denominan deflagrantes . En cuanto a su primer uso se ha atribuido a los chinos, los hindúes y los árabes . Sin embargo , los escritos de Roger Bacon , en Inglaterra , duate el siglo XIII , contienen instrucciones para polvora negra . Su uso en la minería fue hasta el siglo XVIII, en cuanto a sus componentes , aproximadamente 75% nitrato de potasio , 15% de carbón y 10% de azufre .

I. I.1.

4

HISTORIA

GENERALIDADES

Cuando, donde, como y por quien fue descubierta y empleada en usos prácticos la pólvora, ha quedado en las brumas de la historia; de lo que no hay duda es que era conocida por los chinos y los hindúes. Probablemente, como ocurre tantas veces, su descubrimiento fue accidental, lo mismo que lo fue el del cristal. Gente primitiva, cocinando sobre terrenos impregnados con nitratos, pueden, descuidadamente haber mezclado dicha tierra con carbón vegetal, que al ser encendido depués habría producido una especie de explosión. Se ha creido que en los primeros paises en usar la pólvora ,ésta solo era empleaba para fuegos de artificio o exhibiciones pirotécnicas; pero también existen evidencias de que fue utilizada como propelente siglos antes de la Era Cristiana. En el código Centu o Gentu, como es llamada una recopilación de las tradiciones hindúes más lejanas, se encuentra un precepto que dice "El magistrado no hará la guerra con ningún arma que sea de engaño ,con armas envenedas, cañones o cualquier otra arma de fuego" Así pues,es posible que Alejandro el Grande,en su invasión de la India en el año 326 antes de Cristo,se las tuviera que ver con algo parecido a los cañones o bombas de los siglos XIV y XV,ya que Filostratos el Viejo,antiguo historiador griego,en su obra "Apolonio de Tyana",menciona que Alejandro fue detenido en su avance en la zona comprendida entre Hifasis y el Ganges por gentes que "arrasaban a sus enemigos con tempestades y rayos lanzados desde las murallas".Algunos siglos después, año 275 despues de Cristo,Julio el Africano menciona la"pólvora para disparar";también existen otras referencias de este estilo que parecen demostrar que la pólvora con fines bélicos se uso mucho antes de lo que en realidad se supone. Se cree que la pólvora fue introducida en Europa por los árabes.Mezclas muy parecidas se emplearon en el sitio de la Meca en el 690 antes Cristo.Los sarracenos la usaron en Tesalónica en el año 904 y los húngaros en el sitio de Belgrado en el año 1073. Según algunos historiadores, fue el fraile Bacon el primer descubridor europeo de la pólvora negra en el siglo XIII.Otros dan crédito al monje alemán Bertold Schwarz;el caso es que ambas aserciones pueden ser puestas en duda,ya que en la Biblioteca Nacional de Paris hay un manuscrito,copia del Liberingnium,fechado el año 846 antes de Cristo,en el que el autor ,Marcus Graocus,describe un explosivo compuesto de seis partes de salitre,dos partes de azufre y dos partes de carbón vegetal,que es prácticamente la fórmula que se emplea hoy en dia para la fabricación de la pólvora negra. Parece ser que los árabes ya la habían usado con ese mismo fin en la Península Ibérica, según se desprende de las crónicas del rey Alfonso XI de Castilla. El siguiente párrafo, transcrito y adaptado al castellano moderno, corresponde a la crónica del rey Alfonso XI sobre el sitio de Algeciras (1343), y es la primera referencia escrita del empleo de la pólvora con fines militares, si bien hay quien sostiene que esa misma sustancia ya había sido utilizada, también por los árabes, en la defensa de la ciudad de Niebla (Huelva)

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cuando

fue

sitiada

por

Alfonso

X

el

Sabio,

casi

un

siglo

antes.

..tiraban [los árabes] muchas pellas [bolas] de hierro que las lanzaban con truenos, de los que los cristianos sentían un gran espanto, ya que cualquier miembro del hombre que fuese alcanzado, era cercenado como si lo cortasen con un cuchillo; y como quisiera que el hombre cayera herido moría después, pues no había cirugía alguna que lo pudiera curar, por un lado porque venían [las pellas] ardiendo como fuego, y por otro, porque los polvos con que las lanzaban eran de tal naturaleza que cualquier llaga que hicieran suponía la muerte del hombre. En 1857, Lammot Du Pont, introdujo una mejora de gran importancia técnica y económica. En lugar del muy costoso nitrato de potasio, utilizo el nitrato de sodio, que era mucho mas barato . La nueva Formula Dupont rápidamente reemplazo la polvora negra de nitrato de potasio, en casi todos los usos con algunas exepciones. Alfred Nobel y su padre, Emmanuel, Estaban tratando en Suecia una aplicación técnica a las propiedades explosivas de la nitroglicerina, la cual fue descrubierta en 1846 por Ascanio Sobrero y después la abandono, porque encontró que sus propiedades eran tan impredecibles y alarmantes que previno contra su uso . Pero el poder liberado por la nitroglicerina impresiono a los inventores suecos. En el curso de sus experimentos, Nobel diseño el primer fulminante razonablemente seguro y eficiente, una capsula de estaño (posteriormente cobre) llena con fulminato de mercurio. Ya que la carga y transportación de nitroglicerina liquida era peligrosa aun en las mejores circunstancias y nuevos métodos probados, Alfredo Nobel cambio de aserrín a diatomita, una tierra diatomásea, en 1866, para usarla al empacar latas de nitroglicerina en cajas de madera. Casualmente, Nobel notó que una caja con fugas de nitroglicerina había perdido casi todo su contenido y aun no había manchado el exterior del empaque de madera. Una investigación posterior demostró que la diatomita había no solamente absorbido la nitroglicerina sino que la había vuelto menos sensible al impacto. Nobel nombró a esta mezcla como “ polvora de seguridad de Nobel”, la primera Dinamita. El fulminante de Nobel fabricado con fulminato de mercurio, estaba diseñado para dispara con mecha de seguridad, pero durante años se hicieron varios intentos para dispararlo mediante electricidad. Estos estopines originales se disparaban mediante una chispa que pasaba entre los extremos desnudos de dos alambres insertados en la carga de la capsula, este tipo fue sustituido por estoipes comn alambres de puente, o de baja tensión eléctrica; el primero de los que tuvo éxito fue producido por H. Julius Smith en 1876. Smith fue un activo inventor de hizo varias mejores en los estopines eléctrico. Tambien invento un estopin de retardo en 1885.

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Dentro de la aplicación comercial, la dinamita no solamente era mas poderosa que la polvora negra sino que tenia una velocidad de detonación mas alta, era mas efectiva para romper la roca. Como resultado, rápidamente reemplazo a la polvora negra en la mayoría de las voladuras.

I.2.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Los productos químicos representan un riesgo substancial en cuanto a fuegos y explosivos . La combustión de un galon de tolueno puede destruir un laboratorio químico en minutos . Las consecuencias de fuegos y explosiones en plantas piloto y en el medio ambiente son también grandes. Los riesgos industriales graves suelen estar relacionados con la posibilidad de un incendio o explosión. I.2.1.

COMBUSTION

Es la reacción química en la cual una substancia se combina con un oxidante liberando energía en forma de luz y calor. Parte de esta energía liberada se usa para sostener la reacción Los elementos esenciales para la combustión son el combustible , el aire y una fuente de ignición .Estos elementos se ilustran en el triangulo del fuego que ilustra la figura 1. Dos ejemplos comunes de los tres componentes del triangulo del fuego son :; madera , aire y un fosforo; o gasolina, aires y una chispa. Sin embargo otras combinaciones menos obvias pueden provocar fuegos y explosiones ( Crowl y Louvar, 1990)

FIG. 1 .- Triangulo del fuego

Algunos combustibles, oxidantes y fuentes de ignición comunes en la industria química son : Combustibles: -

Líquidos (gasolina, acetona,pentanol) Sólidos (plásticos, aserrín, fibras, partículas metalicas)

7

-

Gases (acetileno, propano, monóxido de carbono, hidrógeno)

Oxidantes: -

Gases ( oxigeno , flúor, cloro) Líquidos(peróxido de hidrógeno, ácido nítrico, ácido pérclorico) Sólidos (peróxidos de metal, nitratos de amonio)

Fuentes de ignición : -

Chispas, flamas, electricidad estatica, calor)

Algunos de los conceptos mas comumente usados en relación a explosivos y pirotécnicos son :

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II. II.1.

EXPLOSIVOS

INTRODUCCION

El objetivo esencial de la utilización de un explosivo en el arranque de rocas consiste en disponer de una energía concentrada químicamente, situada en el lugar apropiado y en cantidad suficiente, de forma que la energía liberada de un modo controlado, en tiempo y espacio, pueda lograr la fragmentación del material rocoso. La explosión es, según Berthelot, «la repentina expansión de los gases en un volumen mucho más grande que el inicial, acompañada de ruidos y efectos mecánicos violentos». Los tipos de explosión son los siguientes: mecánicos, eléctricos, nucleares y químicos. Estos últimos, son los que desde el punto de vista de este trabajo tienen interés. Los explosivos comerciales no son otra cosa que una mezcla de sustancias, unas combustibles y otras oxidantes, que, iniciadas debidamente, dan lugar a una reacción exotérmica muy rápida que genera una serie de productos gaseosos a alta temperatura, químicamente más estables, y que ocupan un mayor volumen. Para tener una idea del poder de un explosivo, puede efectuarse una comparación con otras fuentes de energía. Consideremos para ello, una central térmica de 550 MWde potencia instalada. Sabiendo que 1 kW es igual a 0,238 kcal/s, la potencia instalada equivale a 130.900 kcal/s. Un kilogramo de explosivo gelatinoso de 1000 Kcal /Kg dispuesto en una columna de 1m de longitud u con una velocidad de detonación de 4000 m /s desarrolla una potencia:

1200 Kcal =48 x 105 Kcal /s 1m 4000 m/ s que es 37 veces superior a la de la central térmica. El factor tiempo de explosión es tan sumamente importante que aún teniendo los explosivos comerciales un poder calorífico pequeño (la trilita 1.120 kcal/kg) comparado con otras sustancias combustibles (Antracita por ejemplo 7.000 kcal/kg), la velocidad de reacción de un explosivo es tal que al detonar sobre una plancha de metal puede producir un orificio en ella, pues no da tiempo a que la energía desarrollada se distribuya hacia los lados o hacia arriba donde se opondrá la resistencia del aire. Los gases producidos acumulan el calor generado, dilatándose hasta un volumen que puede ser unas 10.000veces mayor que el del barreno donde se aloja el explosivo. En este capitulo se analiza el mecanismo de la detonación de los explosivos, energía de los explosivos , características , y demás.

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II.2.

EXPLOSIVOS QUIMICOS

Es una substancia o compuesto que al ser detonado es susceptible de desarrollar una descomposición química, extremadamente rápida, generando como productos finales de la reacción gases a temperatura y presión muy elevadas, los cuales producen 4 efectos básicos:    

Fragmentación de la roca Desplazamiento de la roca Vibración del suelo Golpe de aire

Los explosivos químicos, según las condiciones a que estén sometidos, pueden ofrecer un comportamiento distinto del propio de su carácter explosivo. Los procesos de descomposición de una sustancia explosiva son: la combustión propiamente dicha, la deflagración y, por último, la detonación. Tanto la naturaleza de la propia sustancia como la forma de iniciación y condiciones externas gobiernan el desarrollo de la descomposición: II.2.1. COMBUSTION Puede definirse como toda reacción química capaz de desprender calor, pudiendo ser o no percibido por nuestros sentidos. II.2.2. DEFLAGRACIÓN Es un proceso exotérmico en el que la transmisión de la reacción de descomposición se basa principalmente en la conductividad térmica. Es un fenómeno superficial en el que el frente de deflagración se propaga por el explosivo en capas paralelas a una velocidad baja que, generalmente, no supera los 1000 m/s. II.2.3. DETONACIÓN Es un proceso físico-químico caracterizado por su gran velocidad de reacción y formación de gran cantidad de productos gaseosos a elevada temperatura, que adquieren una gran fuerza expansiva. En los explosivos detonantes la velocidad de las primeras moléculas gasificadas es tan grande que no ceden su calor por conductividad a la zona inalterada de la carga, sino que lo transmiten por choque deformándola y produciendo su calentamiento y explosión adiabática con generación de nuevos gases. El proceso se repite con un movimiento ondulatorio que afecta a toda la masa explosiva y se denomina onda de choque, que viaja a través de la carga explosiva y la velocidad a que se desplaza se le llama velocidad de detonación . La figura 2 describe este proceso.

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FIG. 2 .- Ilustración del proceso de detonación

La energía de iniciación puede ser suministrada de varias formas, según el explosivo de que se trate. En los explosivos deflagrantes o pólvoras basta con la energía de una llama, mientras que en los explosivos detonantes se necesita una energía generalmente en forma de onda de choque. Una vez iniciado el explosivo, el primer efecto que se produce es la generación de una onda de choque o presión que se propaga a través de su propia masa. Esta onda es portadora de la energia necesaria para activar las moléculas de la masa del explosivo alrededor del foco inicial energetizado , provocando así una reacción en cadena. A la vez que se produce esta onda, la masa de explosivo que ha reaccionado produce una gran cantidad de gases a una elevada temperatura. Si esta presión secundaria actúa sobre el resto de la masa sin detonar, su efecto se suma al de la onda de presión primaria, pasando de un proceso de deflagración a otro de detonación, figura 3.

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FIG. 3.- Desarrollo de una detonación

En el caso en que la onda de presión de los gases actúe en sentido contrario a la masa de explosivo sin detonar, se produce un régimen de deflagración lenta, ralentizándose la reacción explosiva de forma que al ir perdiendo energía la onda de detonación primaria llega incluso a ser incapaz de energetizar al resto de la masa de explosivo, produciéndose la detención de la detonación. PROCESO DE DETONACIÓN DE UN EXPLOSIVO

Como se ha indicado anteriormente, la detonación consiste en la propagación de una reacción química que se mueve a través del explosivo a una velocidad superior a la del sonido en dicho material, transformando a éste en nuevas especies químicas. La característica básica de estas reacciones es que es iniciada y soportada por una onda de choque supersónica. Como se describe en la Fig. 4, en cabeza viaja un choque puro que inicia la transformación química del explosivo, que tiene lugar a través de la zona, de reacción, para terminar en el plano llamado de Chapmant-Jouguet (C-J) donde se admite el equilibrio químico, por lo menos en las detonaciones ideales.

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FIG. 4 .- Proceso de detonación de una carga explosiva

En los explosivos comerciales se producen reacciones químicas importantes por detrás del plano C-J, particularmente reacciones de los ingredientes en forma de partículas de gran tamaño y de los combustibles metálicos. Estas reacciones secundarias pueden afectar al rendimiento del explosivo, pero no influyen en la estabilidad o velocidad de detonación. En un explosivo potente la zona de reacción primaria es normalmente muy estrecha, del orden de milímetros, mientras que en los explosivos de baja densidad y potencia esa zona de reacción es mucho más ancha, llegando a tener en el caso del ANFO una dimensión de varios centímetros. Por detrás del plano C-J se encuentran los productos de reacción, y en algunos casos las partículas inertes. La mayoría de los productos son gases que alcanzan temperaturas del orden de 1.500 a 4.000°C y presiones que oscilan entre 2 y 10 GPa. Los gases en esas condiciones de presión y temperatura se expanden rápidamente y producen un choque u onda de tensión alrededor del medio que les rodea. En la Fig. 5 se representa un perfil simplificado de una columna de explosivo. La onda de detonación, que se caracteriza por una elevación muy brusca de la presión, se desplaza hacia la derecha a una velocidad supersónica. Por detrás del nivel máximo de presión se produce una contracción como consecuencia de la conservación del momento, esto es que para compensar el impulso impartido hacia adelante se genera una onda de retrodetonación que se transmite en dirección opuesta.

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FIG. 5.- Perfil de presiones en la detonación de una columna de explosivo.

El plano C-J se mueve a muy alta velocidad "VD», mientras que la velocidad de movimiento de los productos de explosión, determinada por Cook con fotografías de rayos X, alcanza un valor de 0,25 la velocidad de detonación. Por esto, si la presión máxima de la onda explosiva es:

PD=ρe x VD x U p

Donde: PD = presión de detonación ρe = Densidad del explosivo VD = velocidad de detonación U p = velocidad de particula Y teniendo en cuenta que “ U p=0.25 x VD

PD=

ρe x VD 4

2

Donde: PD = Presión de detonación (KPa) ρe = Densidad del explosivo (g/cm3) VD = Velocidad de detonación (m/s)

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, se obtiene :

La presión termoquímica o presión máxima disponible para efectuar un trabajo PE se considera que vale generalmente la mitad de la presión de detonación. Si la carga explosiva está en contacto íntimo con la pared rocosa del barreno, la presión ejercida sobre la misma por los gases de explosión es igual a la presión termoquímica En lo referente a la iniciación de los explosivos, es preciso suministrar en un punto de estos un determinado nivel de energía por unidad de volumen . Una de las teorías para explicar el mecanismo de iniciación es la denominada de los “ puntos calientes o hot spots”, que son pequeños elementos de materia en los cuales se encuentra la energía aportada globalmente al explosivo. Los puntos calientes se pueden formar por compresión adiabática de pequeñas burbujas de aire, o vapor retenidas dentro del explosivo, por friccion entre los cristales constituyentes de la sustancia explosiva y por el calentamiento producido en el movimiento viscoso de la masa explosiva en condiciones extremas. Cuando los puntos calientes reciben una determinada cantidad de energía, la masa explosiva que les rodea se descompone, produciéndose un desprendimiento de energía que a su vez puede crear más puntos calientes, iniciándose así un proceso en cadena. Esta es la base de la sensibilización de algunos agentes explosivos mediante la adición de microesferas de vidrio, partículas sólidas, etc.

II.3.

ENERGIA PRODUCIDA POR LOS EXPLOSIVOS

Durante una explosión muchos tipos de energía son liberados, Fig 6, esta energía se puede dividir en la energía útil capaz de dar trabajo y es aquella energía utilizada en el cumplimiento del objetivo de la voladura, llamada energía de trabajo y en la Energia de desperdicio que no toma parte en el rompimiento de la roca y que se manifiesta en forma de calor, luz, sonido y energía Sismica.

FIG. 6 .- Energia producida por los explosivos

La energía de trabajo se debe en un 15 % a la energía de choque del explosivo y en un 85 % a la energía producida por los gases generados en la reacción del explosivo. En barrenos confinados son utilizados explosivos que producen una alta generación de gases y la presión se incrementa de acuerdo al volumen de gas liberado y a la temperatura de

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reacción. En cambio los explosivos con alta energía de choque son utilizados principalmente en detonaciones no confinadas tales como plasteo, demoliciones, etc En cuanto a las formas en que la energía se desperdicia destacan 2 principalmente: ENERGIA SISMICA Es producida por el movimiento de las ondas de choque a través del suelo y existen 2 clases de energía sísmica : ondas de cuerpo y ondas de superficie . Las ondas de cuerpo producen compresión y dilatación en la dirección de la onda de choque – (similar a la acción de un resorte) . Las ondas de superficie se trasmiten a lo largo de la superficie sin penetrar en la roca y a una velocidad mas lenta que las ondas de cuerpo . Las ondas sísmicas se crean debido a la deformación elástica de las rocas, que al volver a su estado original después de la deformación sufrida en la voladura se genera una onda vibracional que viaja a través del suelo, estas ondas pueden ocasionar problemas por lo que deben ser controladas. GOLPE DE AIRE El sonido es la transmisión de energía a través de la atmosfera, no se transmite en el vacio ya que necesita de un medio de transmisión. Las ondas de sonido de una explosión son ondas de compresión que tienen una velocidad en función a la temperatura del medio. El ruido es la porción del golpe de aire que se encuentra en la parte audible del espectro, variando de 20 a 20 000 Hertz, en las voladuras realizadas en las areas no urbanas el daño proviene principalmente de la concusión del aire y no del ruido, el nivel de concusión producido por una voladura a cielo abierto depende de la distancia al punto considerado y del peso de la carga explosiva máxima detonada por retardo. Debido a los valores generalmente altos del Bordo usados en muchas operaciones a cielo abierto, el golpe de aire generalmente contiene una gran cantidad de energía a frecuencias inferiores a los 20 Hz . Es entonces la concusión de aire la que puede producir daños a estructuras muy cercanas, principalmente a vidrios de gran tamaño y otros elementos poco estables. Asi entonces para reducir el golpe de aire evite el uso de explosivos no confinados ( no plasteé) y considere tanto las anomalías geologícas como las condiciones climaticas para el disparo de la voladura.

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III.

PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS

Los explosivos convencionales y los agentes explosivos poseen propiedades diferenciadoras que los caracterizan y que se aprovechan para la correcta selección, atendiendo al tipo de voladura que se desea realizar y las condiciones en que se debe llevar a cabo. Las propiedades de cada grupo de explosivos permiten además predecir cuáles serán los resultados de fragmentación, desplazamiento y vibraciones más probables. Las características más importantes son:       

Potencia y energía desarrollada Velocidad de detonación, Densidad Presión de detonación Resistencia al agua Sensibilidad. Estabilidad quimica

Otras propiedades que afectan al empleo de los explosivos y que es preciso tener en cuenta son: los humos, la resistencia a bajas y altas temperaturas, la desensibilización por acciones externas, etc.

III.1. POTENCIA Y ENERGIA La potencia es, desde el punto de vista de aplicación industrial, una de las propiedades más importantes, ya que define la energía disponible para producir efectos mecánicos. Existen diferentes formas de expresar la potencia (Strength) de un explosivo. En las antiguas dinamitas (Straight dynamites) era el porcentaje de nitroglicerina el parámetro de medida de la potencia. Bosteriormente, con la sustitución parcial de la nitroglicerina por otras sustancias, y la realización de ensayos comparativos de laboratorio, se pasó a hablar de Potencia Relativa por Peso (Relative Weight Strength) y Potencia Relativa por Volumen (RelativeBulk Strength). Así, es frecuente referir la potencia de un explosivo en tantos por ciento de otro que se toma como patrón, Goma pura, ANFO, etc., al cual se le asigna el valor 100 Existen varios métodos prácticos para medir la potencia o la energía disponible de un explosivo, todos ellos muy discutibles debido a las peculiaridades, que presentan y a su repercusión en los resultados cuando se comparan con los rendimientos obtenidos en las voladuras. III.1.1. METODO DE TRAULZ

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Determina la capacidad de expansión que produce la detonación de 10 g de explosivo en el interior de un bloque cilíndrico de plomo. Fig. 7. La diferencia entre el volumen total obtenido y el volumen inicial de 62 cm3 da el valor Traulz real.

FIG. 7.- Ensayo Traulz

Cuando se compara el volumen con el producido con 7 g de ácido pícrico se obtiene el denominado «Indice Traulz». Si el explosivo de referencia es la Goma pura, la potencia se expresa en relación a la misma como un porcentaje. Como los explosivos más potentes tienden a dar un incremento de volumen mayor que el que corresponde a su potencia real, el CERCHAR definió el Coeficiente ge Utilización Práctica «C.U.P.» que se basa en la comparación de pesos de explosivos «C. ex" que producen volúmenes iguales al de una carga patrón de 10 ó 15 g de ácido pícrico.

III.1.2. METODO BALISTICO Consiste en comparar la propulsión de un mortero de acero montado sobre un péndulo balística por efecto de los gases cuando se hace detonar una carga de 10g de explosivo. El índice T.M.B. se calcula a partir de la ecuación:

donde " α y β ” son los ángulos registrados en el correspondientes al explosivo a ensayar y al explosivo patrón.

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retroceso

del

péndulo,

FIG.8.- Mortero Balistico

Los dos procedimientos descritos dan buenos resultados con los explosivos tipo dinamita, pero no son aplicables a agentes explosivos, como el ANFO o los hidrogeles, debido a: -

El pequeño diámetro utilizado en el péndulo (20 mm) y en el ensayo Traulz (25 mm), pues son inferiores al diámetro crítico de esos explosivos. El retacado de 2 cm que se emplea en el ensayo Traulz es proyectado por los gases antes de que éstos efectúen un trabajo efectivo. En el mortero la carga se encuentra desacoplada. Y, sobre todo, esas pruebas sólo son1adecuadas cuando los explosivos son sensibles a la iniciación' por detonadores y los tiempos de reacción son pequeños.

III.1.3. METODO DE LA POTENCIA SISMICA Consiste en hacer detónar una carga de explosivo en un medio rocoso isótropo, y registrar la perturbación sísmica producida a una distancia determinada. Como explosivo patrón suele tomarse el ANFO y se supone que la variación de las vibraciones es proporcional a la energía del explosivo elevada a 2/3. Este método se considera poco adecuado para medir la energía disponible de un explosivo. III.1.4. METODO DEL CRATER Se basa en la determinación de la Profundidad Crítica y la Profundidad Optima, que son aquellas para las que una carga de explosivo rompe la roca en superficie y produce el cráter de mayor volumen respectivamente. El principal inconveniente de este sistema se \

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encuentra en la necesidad de realizar numerosos tiros y la dificultad de disponer de un banco de pruebas en roca homogénea. III.1.5. METODO DE APLASTAMIENTO DE UN CILINDRO Define el Poder Rompedor de un explosivo, que está relacionado con la capacidad de fragmentación de la roca, por medio del aplastamiento que produce una carga sobre un molde cilíndrico de metal. Existen varios métodos, como son el de Kast y el de Hess, pero éste último es el más empleado.

FIG.9. Ensayo Hess

Este ensayo refleja bien la energía de la onda de tensión que está ligada a la presión de detonación.

III.2. VELOCIDAD DE DETONACION Es la velocidad a la que la onda de detonación se propaga a través del explosivo y, por lo tanto, es el parámetro que define el ritmo de liberación de energía. Los factores que afectan a la "VD" son: la densidad de la carga, el diámetro, el confinamiento, la iniciación y el envejecimiento del explosivo. Para los tres primeros, conforme aumentan dichos parámetros las "VD" resultantes crecen significativamente. Fig. 10.

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Fig. 10 .- Influencia del diámetro de la carga sobre la velocidad de detonación (Ash, 1977) En cuanto a la iniciación, si no es lo suficientemente enérgica puede hacer que el régimen de detonación comience con una velocidad baja, y con respecto al envejecimiento, éste hace que la "VD" también disminuya al reducirse el número y volumen de las burbujas de aire, sobre todo en los explosivos gelatinosos, ya que son generadores de puntos calientes. Existen diversos métodos de medida de la ,”VD", entre los que destacan: -

Metodo de D’Autriche Kodewimetro Cronógrafo

III.2.1. METODO D’AUTRICHE Se basa en comparar la "VD" del explosivo con la velocidad ya conocida de un cordón detonante. Se coge un cordón con una longitud determinada y se marca el punto medio del mismo, que se hace coincidir con una señal efectuada sobre una plancha de plomo en la cual se apoya, y a continuación, se insertan los extremos del cordón dentro del explosivo a una distancia prefijada "d". La carga de explosivo, que puede estar alojada en un tubo metálico, se inicia en uno de los lados con un detonador. Como la onda de choque energetiza a su vez en instantes diferentes a los extremos del cordón, la colisión de las ondas 1 y 2 tiene lugar sobre la plancha a una distancia "a" del punto medio del cordón. Así pues, la "VDe”, del explosivo se determinará a partir de:

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VD e =

VD c x d 2a

Fig. 11. Metodo D’Autriche III.2.2. KODEWIMETRO Se basa en la variación de la resistencia de un cable sonda que atraviesa axialmente una columna de explosivo. Por medio de un equipo, denominado Kodewimetro, conectado a un osciloscopio se mide la variación de tensión que es proporcional a la resistencia, al mantener en el circuito una intensidad de corriente constante. Al avanzar la onda de detonación a lo largo del explosivo, la resistencia eléctrica disminuye determinándosela "VD" a partir de la tensión a la cual es proporcional. III.2.3. CRONOGRAFO Con dos sensores introducidos en el explosivo y colocados a una distancia determinada, puede calcularse la "VD” sin más que medir el tiempo de activación de cada sensor. En la actualidad, existen instrumentos

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Fig. 12. Medida de la velocidad de detonación con cronógrafo (Kontinitro A. G.)

III.3. DENSIDAD La densidad de la mayoría de los explosivos varia entre 0,8 y 1,6 g/cm3, y al igual que .con la velocidad de detonación cuanto mayor es, más intenso es el efecto rompedor que proporciona. En los agentes explosivos la densidad puede ser un factor crítico, pues si es muy baja se vuelven sensibles al cordón detonante que los comienza a iniciar antes de la detonación del multiplicador o cebo, o de lo contrario, si es muy alta, pueden hacerse insensibles y no detonar. Esa densidad límite es la denominada Densidad de Muerte, que se definirá más adelante. La densidad de un explosivo es un factor importante para el cálculo de la cantidad de carga necesaria para una voladura. Por regla general, en el fondo de los barrenos, que es donde se necesita mayor concentración de energía para el arranque de la roca, se utilizan explosivos más densos, como son los gelatinosos e hidrogeles, mientras que en las cargas de columna se requieren explosivos menos densos; como son los pulverulentos y los de base ANFO. La concentración lineal de carga «ql» en un barreno de diámetro "D» y una densidad " ρ e”, se calcula a partir de:

ql

( Kgm )=7. 854 x 10

−4

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x ρe x D2

Donde :

ρe = Densidad del explosivo (g/cm3) D = Diametro de carga (mm) Cuando los barrenos tienen una gran longitud, un fenómeno que suele estar presente es la variación de la densidad del explosivo a lo largo de la co]umna del mismo, como consecuencia de la presión hidrostática. En la Figura 13. se representan las curvas correspondientes a la densidad en el fondo del barreno y la densidad media de toda la columna, en función de su altura, para una emulsión con una densidad de encartuchado de 1,02 g/cm3y una densidad básica de 1,35 g/cm3, cargada en barrenos de 250 mm de diámetro.

Fig. 13.- Curvas de densidad de una emulsion en función de la profundidad de los barrenos en condiciones secas

III.4. PRESION DE DETONACION La presión de detonación de un explosivo es función de la densidad y del cuadrado de la velocidad de detonación. Se mide en el plano C-J de la onda de detonación cuando se propaga a través de la columna de explosivo, como ya se ha indicado. Aunque la presión de detonación de un explosivo depende, además de la densidad y de la "VD», de los ingredientes de que esté compuesto, una fórmula que permite estimar dicho parámetro es:

PD=432 x 10−6 x ρe x Donde:

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VD 2 1+0,8 ρe

PD = Presion de detonación (MPa)

ρe

= Densidad del explosivo (g/cm3)

VD = Velocidad de detonación (m/s) Los explosivos comerciales tienen una “ PD” que varia entre 500 y 1500 MPa. Generalmente, en rocas duras y componentes la fragmentación se efectua mas fácilmente con explosivos de alta presión de detonación, debido a la directa relación que existe entre esta variable y los mecanismos de rotura de la roca.

III.5. RESISTENCIA AL AGUA Es la capacidad para resistir una prolongada exposición al agua si n perder sus características. Varía de acuerdo con la composición del explosivo y generalmente está vinculada a la proporción de nitroglicerina o aditivos especiales que contengan, así las gomas, los hidrogeles y las emulsiones son muy resistentes al agua. Las sales oxidantes, como el nitrato amónico en el ANFO, disminuyen intensamente la resistencia al agua pues son muy higroscópicas. La escala de clasificación generalmente aceptada va desde: Nula, Limitada, Buena, Muy Buena y Excelente. En la primera, el explosivo no tiene ninguna resistencia al agua, mientras que la última, garantiza una exposición superior a 12 horas.

Foto 1. Resistencia al agua

III.6. SENSIBILIDAD Esta característica engloba varios significados dependiendo del tipo de acción exterior que se produzca sobre el explosivo. -

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Acción controlada. La sensibilidad aquí es equivalente a la aptitud a la detonación por un iniciador (e.g. un detonador). Acción incontrolada. La sensibilidad es una medida de la facilidad con la que un explosivo puede ser detonado por calor, fricción, impacto o choque

III.6.1. SENSIBILIDAD A LA INICIACION Los explosivos deben ser suficientemente sensibles para ser detonados por un iniciador adecuado. Esta capacidad varía según el tipo de producto, así por ejemplo, para la mayoría de los explosivos gelatinosos se emplean detonadores, mientras que los agentes explosivos requieren en general de un multiplicador o cartucho cebo de mayor presión y velocidad de detonación. El ensayo de sensibilidad a la iniciación se realiza sobre una placa de plomo en la que se deposita un cartucho de explosivo con unas dimensiones determinadas y con diferentes disparos se determina la potencia mínima del detonador que se precisa. Una clasificación que se emplea es la siguiente: Explosivos sensibles al detonador n° 8 (Cap sensitives) y los no sensibles al detonador n° 8 (Non cap sensitives). El citado detonador, que es el más utilizado, tiene una carga de 2 g mezcla de fulminato de mercurio (80%) y clorato potásico (20%) o una carga de pentrita prensada equivalente. III.6.2. SENSIBILIDAD AL CHOQUE Y A LA FRICCION Algunos explosivos pueden detonar por efecto de estímulos subsónicos, tales como: choques o fricción. Por seguridad es importante conocer su grado de sensibilidad frente a estas acciones, especialmente durante su manipulación y transporte. El ensayo de resistencia al choque suele realizarse con un martillo de caída (Kast),que consiste en colocar sobre un yunque una muestra de explosivo, generalmente de 0,1 g, sobre la que se deja caer un peso de acero de 0,5 a 10 kg, desde diferentes alturas, para observar si explosiona o no. A título de ejemplo, con un martillo de 2 kg, el fulminato de mercurio detona con una altura de caída de 1 a 2 cm, la nitroglicerina con 4 a 5 cm, la dinamita con 15 a 30 cm, y los explosivos amoniacales con caídas de 40 a 50 cm. El ensayo de fricción más utilizado es el de Julius Peter, en el cual se somete a un explosivo a un proceso de rozamiento entre dos superficies de porcelana sin barnizar sobre las que se ejercen diferentes presiones. Tras la prueba se puede apreciar si ha existido carbonización, deflagración o explosión. Los resultados se expresan en kg, que corresponde a la presión con la que actua el punzon de porcelana sobre la plaquita en la que se deposita el explosivo . III.6.3. SENSIBILIDAD AL CALOR Los explosivos al ser calentados de forma gradual llegan a una temperatura en que se descomponen repentinamente con desprendimientos de gases, aumentando poco a poco hasta que al final se produce una deflagración o bien una pequeña explosión. A esa temperatura se la denomina «punto de ignición». En la pólvora varía entre 3000y 350°CYen los explosivos industriales entre 180°y 230°C. Esta característica es diferente de la sensibilidad al fuego, que indica su facilidad de inflamación. Así, la pólvora a pesar de su buen grado de sensibilidad al calor es muy inflamable, explosionando hasta con una chispa, lo mismo que la nitrocelulosa.

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III.6.4. DIAMETRO CRITICO Las cargas de explosivo con forma cilíndrica tienen un diámetro por debajo del cual la onda de detonación no se propaga o si lo hace es con una velocidad muy por debajo a la de régimen, a dicha dimensión se la denomina «Diámetro crítico». Los principales factores que influyen en el diámetro crítico de un explosivo son: el tamaño de las partículas, la reactividad de sus constituyentes, la densidad y el confinamiento de los mismos.

III.7. ESTABILIDAD QUIMICA Es la aptitud que el explosivo posee para mantenerse químicamente inalterado durante un cierto periodo de tiempo.Esta estabilidad con la que el explosivo parte de fábrica se mantendrá sin alteraciones mientras las condiciones de almacenamiento sean adecuadas. Esto permitiría al usuario tener un producto totalmente seguro y fiable para los trabajos de voladura. Las pérdidas de estabilidad en los explosivos se producen bien por un almacenamiento excesivamente prolongado o bien porque las condiciones del lugar no sean las adecuadas.Si los explosivos son polvurolentos con nitrato amónico se estropearán perdiendo dinero pero no tendremos accidentes. Los explosivos con nitroglicerina si pierden su estabilidad química puede significar que la nitroglicerina se ha descompuesto. El cartucho suda o se observan manchas verdes en la envoltura. En este caso el peligro es inminente y es imprescindible la destrucción de este explosivo.

III.8. TRANSMISION DE LA DETONACION La transmisión por «simpatía» es el fenómeno que se produce cuando un cartucho al detonar induce en otro próximo su explosión. Una buena transmisión dentro de los barrenos es la garantía para conseguir la completa detonación de las columnas de explosivo. Pero cuando esos barrenos se hallan próximos o las cargas dentro de ellos se diseñan espaciadas, se puede producir la detonación por simpatía por medio de la transmisión de la onda de tensión a través de la roca, por la presencia de aguas subterráneas y discontinuidades estructurales o por la propia presión del material inerte de los retacados intermedios sobre las cargas adyacentes. En todos estos casos los resultados de fragmentación y vibraciones se verán perjudicados seriamente. Uno de los métodos para medir la capacidad o aptitud de la propagación por simpatía, también definido como «Coeficiente de Autoexcitación», consiste en determinar la distancia máxima a la que un cartucho cebado hace explotar a otro cartucho receptor sin

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cebar, estando ambos dispuestos en línea según su eje y apoyados bien sobre una superficie de tierra o metálica, o incluso, dentro de tubos de diferentes materiales o al aire. En la mayoría de los explosivos industriales las distancias máximas hasta las que se produce la detonación por simpatía están entre 2 y 8 veces su diámetro, dependiendo del tipo de explosivo. Las medidas de los Coeficientes de Autoexcitación pueden efectuarse de forma Directa o Inversa, aunque en este último caso sólo se transmite aproximadamente el 50% de la energía que da la Directa. Los factores que modifican los resultados de estas pruebas son: el envejecimiento, el calibre de los cartuchos y el sistema utilizado para hacer la prueba, En cuanto a la transmisión de la detonación entre cargas cilíndricas con barreras inertes, se ha investigado poco desde el punto de vista práctico, pues la mayor parte de las experiencias se han llevado a cabo interponiendo entre la carga cebo y la receptora materiales homogéneos sólidos o líquidos, pero no materiales granulares como los que se emplean en los retacados intermedios, grava de trituración, arena o detritus de perforación.

Fig 14. Ensayo de transmisión por Simpatia

III.9. DESENSIBILIZACION En muchos explosivos industriales, se ha observado que la sensibilidad disminuye al aumentar la densidad por encima de un determinado valor. Este fenómeno, es más acusado en aquellas composiciones o agentes explosivos que no contienen sustancias como el TNT, la Nitroglicerina, etc, Para los hidrogeles y las mezclas tipo ANFO la variación de sensibilidad con la densidad es mucho mayor que para los explosivos gelatinosos, La desensibilización puede estar producida por: - Presiones hidrostáticas y - Presiones dinámicas. El primer caso sólo se suele presentar en barrenos muy profundos y no es por esto muy frecuente. En la desensibilización dinámica pueden distinguirse a su vez tres situaciones:

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III.10.RESISTENCIAS A LAS BAJAS TEMPERATURAS Cuando la temperatura ambiente se encuentre por debajo de los 8 °C, los explosivos que contienen nitroglicerina tienden a congelarse, por lo que se suele añadir una cierta cantidad de nitroglicol que hace bajar el punto de congelación a unos -20°C.

III.11.HUMOS La detonación de todo explosivo comercial produce vapor de agua, nitrógeno, dióxido de carbono, y eventualmente, sólidos y líquidos. Entre los gases inocuos citados existe siempre cierto porcentaje de gases tóxicos como el monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno. Al conjunto de todos esos productos resultantes se le designa por «humos». ,

De acuerdo con la proporción de los gases nocivos, se ha establecido una escala de clasificación por grado de toxicidad para la exposición de los operadores después de las voladuras. Tabla 1. Clases de Humos ( Institute of Makers of Explosives E.E.U.U)

Estas cifras se refieren a los gases producidos por el disparo de una carga de 200 g de explosivo, con su - envoltura de papel, en la denominada «Bomba Bichel». Según esa clasificación los explosivos de primera categoría pueden ser empleados en cualquier labor subterránea, los de segunda sólo en las que se garantice buena ventilación y los de tercera solo en superficie. Los agentes explosivos como el ANFO son más tóxicos que las dinamitas, pues generan mayor proporción de óxidos de nitrógeno. De acuerdo con algunas investigaciones, la toxicidad del NO2 puede llegar a ser hasta 6,5 veces mayor que la del CO para una concentración molar dada.

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IV.

TERMOQUIMICA DE LOS EXPLOSIVOS

El objetivo esencial de la utilización de un explosivo en el arranque de rocas consiste en disponer de una energía concentrada químicamente, situada en el lugar apropiado y en cantidad suficiente, de forma que la energia liberada de un modo controlado, en tiempo y espacio, pueda lograr la fragmentación del material rocoso. En este capitulo se analiza algunos conceptos básicos de termoquímica, que nos llevaran a los cálculos para obtener las características necesarias que debe cumplir un explosivo para ciertos fines. La 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 proceso de detonación se transforma en energía cinética o mecánica. La ley de conservación de la energía establece que en cualquier sistema aislado la cantidad total de energía es constante, aunque la forma puede cambiar: Energia Potencial + Energia Cinetica = constante Pero no toda la energía suministrada se transforma en trabajo útil ya que tienen lugar algunas pérdidas. Existen dos métodos alternativos que pueden usar para calcular los cambios de energía: uno, aplicando las leyes físicas y químicas conocidas y otro, mediante el análisis de los productos finales. Este último, resulta complejo ya que los productos que pueden analizarse de forma conveniente raramente son los que están presentes en los instantes de presión y temperatura máximas. Por esto, es frecuentemente necesario realizar unos cálculos teóricos basados en el conocimiento de las leyes químico-físicas para predecir las propiedades de los explosivos o parámetros de la detonación. Un cálculo aproximado de tales parámetros puede hacerse para aquellos explosivos con un balance de oxígeno nulo o muy ajustado, con los que en la detonación ideal sólo se produce CO2, H2O, N2 y O2 pues es posible aplicar el método de análisis termodinámico. Cuando las sustancias explosivas no tienen balance de oxígeno equilibrado, la determinación de los parámetros de detonación lleva consigo la resolución por un método iterativo de un sistema de ecuaciones no lineales. Seguidamente, se exponen los parámetros termoquímicos más importantes y el método simplificado de cálculo.

IV.1. CALOR DE EXPLOSION Cuando se produce una explosión a presión constante, ejerciéndose únicamente un trabajo de expansión o compresión, la primera ley termodinámica establece que:

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Qe =−∆(U e + PV ) Donde:

Qe = Calor liberado por la explosión. U e = Energía interna del explosivo P = Presión V = Volumen Como “ Ue + PV ” se refiere al calor contenido o entalpia “H p” entonces puede escribirse Qe = - ∆ H p , Asi , el calor de explosión a presión constante es igual al cambio de entalpia, y puede estimarse estableciéndose el balance térmico de la reacción, multiplicando los calores de formación de los productos finales por el numero de moles que se forman de cada uno , y sumándolos, para restar a continuación el calor de formación del explosivo

∆ H p ( explosivo )=H p ( productos )−H p (reactantes ) Si se considera, por ejemplo , el ANFO se tendrá:

3 N H 4 +1C H 2 → C O2+7 H 2 O+3 N 2 H p (reactantes )=¿ 3 (-87.3) + (-7) = -268.0 Kcal H p ( productos )=(−94.1 ) +7 (−57.8 )+ 3 ( 0 )=−498.7 Kcal Qmp = - ΔHp(explosivo) = -

[ −498.7+268.9 ] =229.8 Kcal

Como el peso molecular del explosivo “Pm” es : Pm = 3 (80.1) + 1 (14) = 254.3g El calor de Explosión por Kilogramo que resulta es : Qkp =

229.8 Kcal 1000 g Kcal x =903,7 254.3 g Kg Kg

El calor a presión constante no tiene interés técnico, pues el proceso de la detonación tiene lugar a volumen constante . Asi , para calcular este ultimo es necesario incrementar el calor a presión constante con el trabajo consumido en la expansión adiabática.

Qmv =Qmp +0.58 x n pg Siendo : n pg = Numero de moles de los productos gaseosos Y si en vez de calor desprendido por mol se desea conocer el correspondiente a un kilogramo de explosivo , tendremos :

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Q Kv =

Q mv x 1000 Pm

Asi, el ejemplo anterior resultará:

Qmv = 229.8 + 11x0.58 = 236.18 Kcal / mol Qkv = 236.18 x 1000 / 254.3 = 928.74 Kcal/ Kg Si existen productos solidos entre los de explosión, SiO2 , Al2O3, cloruros , carbonatos , etc, en la primera fase de la explosión se invierte calor de reacción en su fusión, por lo que el calor total calculado debe disminuirse con el correspondiente solido por le calor latente de fusión .

IV.2. BALANCE DE OXIGENO Salvo la NG( nitroglicerina) y el NA (nitrato de aminio), la mayoría de los explosivos son deficientes en oxígeno, pues no tienen oxígeno suficiente para convertir cada átomo de carbono e hidrógeno presentes en la molécula explosiva en dióxido de carbono y agua. Normalmente, un explosivo no utiliza el oxígeno atmosférico durante el proceso de detonación. Por esto, el calor generado por la explosión de un producto deficiente en oxígeno es menor que el generado en condiciones de oxidación completa. El balance de oxígeno se expresa como un porcentaje que es igual a la diferencia entre el 100% y el porcentaje calculado (oxígeno presente-oxígeno necesario). En el caso de deficiencia de oxígeno el balance se da con signo negativo. En muchos explosivos la sensibilidad, 'la potencia y el poder rompedor aumentan conforme lo hace el balance de oxígeno, hasta alcanzar un máximo en el punto de equilibrio. Asi para el TNT se tiene :

2C H 3 C 6 H 2 ( N O2 )3 → 12CO+ 2C H 4 + H 2 +3 N 2 Se necesitan 16.5 moles de O 2 para alcanzar el equilibrio de oxigeno de 2 moles de TNT. El balance de oxigeno de la reacción será:

x 100 )=63.6 expresado como ( 3.00 8.25

100 −

-63.6 % En los explosivos con balance de oxígeno positivo , el oxígeno disponible se combina con los átomos de carbono para formar CO2 y óxidos de nitrógeno, algunos de color rojo. Los humos rojos indican una cantidad de combustible insuficiente en la reacción, que puede ser debida a una mezcla, segregación o pérdida de combustible.

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Los explosivos con balance de oxigeno negativo forman óxidos imcompletos, en particular CO, que es venenoso e incoloro. Los gases nitrosos se reducen mucho, por lo que en bastantes casos los explosivos se formulan con un pequeño balance de oxigeno negativo. Tabla 2. Calores de formación y peso moleculares de algunos explosivos y productos de explosión

IV.2.1. IDENTIFICACION DE PROBLEMA DE MEZCLAS Los gases liberados en la voladura son indicadores de la eficiencia de la reacción y se asocian a la energía liberada . Cuando se produce un color gris claro de gases, esta cerca del balance de oxigeno y se libera el máximo de energía, cuando son amarillos y/o rojizos indican una reacción deficiente. Estos indicadores visuales de mezclas deficientes pueden ser una clasificación sistematica para identificación de mezclas en el campo . La fig 15 , es una guía fácil la cual muestra los elementos de los productos de reacción ; todos los explosivos comerciales podrían estar cerca del balance de oxigeno, por consiguiente en una detonación ideal se producen humos de color gris claro. Desafortunadamente en el campo es muy común ver otros colores de humo en una voladura es signo de que la reacción del explosivo fue deficiente y la energía útil es muy poca ; cuando esto ocurre los barrenos no liberan suficiente energía para quebrar la roca correctamente en el frente del barreno.

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Fig 15. Identificacion de problemas de mezclas La observación visual del color de los humos indican si existen problemas. Sin embargo, la magnitud de estos problemas no puede ser juzgados solo por la intensidad de color de los humos, que pueden relacionarse a energía desperdiciada, aun por un explosivo muy utilizado, resultando la mala fragmentación, asi como llevar la vibración y ruido a niveles perjudiciales y con la correspondiente emanación de gases toxicos en la voladura. Tanto en operaciones subterráneas como a cielo abierto, es importante un estrecho control sobre la cantidad de aceite combustible en el anfo por ejemplo ; para minimizar estos problemasque perjudican el medio ambiente en las areas cercanas a la voladura, estos factores debenser considerados junto con el tiempode espera conveniente después de efectuada la voladura para contar con condiciones seguras de trabajo , la salud y seguridad de mineros y contratistas ya sea en operaciones subterráneas o a cielo abierto , asi como el control sobre el medio ambiente .

IV.3.

VOLUMEN DE EXPLOSION

Es el volumen que ocupan los gases producidos por un kilogramo de explosivo en condiciones normales. El volumen molecular, o volumen de la molécula gramo de

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cualquier gas, en condiciones normales es 22,41. Si se considera por ejemplo la NG, se tiene:

La explosión de 1 g-mol de NG genera 29/4 = 7,25 g/mol de productos gaseosos a 0°c y a presión atmosférica, por lo que el volumen de explosión será:

A una temperatura mayor el volumen de gases aumenta de acuerdo con la ley de GayLussac. Así, para el caso anterior considerando un incremento de 15°C se tiene:

Normalmente, el volumen de explosión se expresa en términos de moles de gas por kilogramo de explosivo.

Donde: Npg = Moles de producto gaseoso Nex =Moles de explosivo Pm = Peso moelcular de explosivo. Para el ejemplo anterior se obtiene un valor de 31,9 moles de gas por kg de NG.

IV.4. ENERGIA MINIMA DISPONIBLE Se entiende por energía mínima disponible la cantidad de trabajo que realizan los productos gaseosos de una explosión cuando la presión permanece constante a 1 atm. Por ejemplo, la nitroglicerina al detonar produce un incremento del volumen molecular del 700%, mientras que la presión resistente se mantiene constante. La ecuación diferencial para el trabajo de expansión Wc es :

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Como la fuerza es igual a la presión por unidad de superficie, puede describirse:

Pero al ser “ As x dl “ , el cambio de volumen experimentado por los productos gaseosos , ya que “P” es constante ,se tiene :

Como el volumen del explosivo «V1» es despreciable frente al volumen de los gases producidos «V2», la cantidad de trabajo disponible viene dada por:

Para el caso de 1g-mol de nitroglicerina, sustituyendo en la ecuación anterior, se tiene: We= 1 atm x 171.3 litros = 171.3 lt.atm We= 1 x 171.3 x 10.23 = 1 752.4 Kgm Esta cantidad de trabajo se considera que es la minima disponible.

IV.5. PRESION DE EXPLOSION Para los gases perfectos se cumple la relación «PxV = RxTe», pero para los gases reales se puede aplicar la Ley de Van der Waals:

En explosivos se desprecia el valor Sarrau ( b= α )

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V −b 2 V

, de donde se deduce la llamada ley de

El valor de α seria igual a cero en el caso de los gases perfectos , en los que V = 0 cuando “ P = ∞ “ . Cuando esto no ocurre “ V =α “, que representa el volumen de las moléculas gaseosas . SI además existe un cuerpo solido incomprensible al hacerse “ P = ∞ “, este solido conserva prácticamente su volumen “ α ' . Luego el covolumen , en los gases y productos de una explosión, es igual a “ α + α ' “ . Aunque este es un concepto teorico, se acude a el para cálculos aproximados, igualando α al volumen de los gases a 20°C por kilogramo de explosivo, dividido por 1000 , es decir

Manteniendo « α '» con un valor concreto Si en la ecuación de Sarrau se considera «V» (volumen del barreno aproximadamente igual al del cartucho, en la primera fase de la explosión) y una densidad del explosivo «ρe»' expresada en kg/l, para 1 un kg de explosivo, se tendrá «V = 1/ ρe » y entonces:

Expresión que recibe el nombre de Noble y Abel. Al producto «RxTe» se le denomina «Presión o Fuerza Específica - fs», que puede interpretarse como la presión de 1 kg de explosivo que ocupara un litro de volumen y cuyos gases de explosión fueran perfectos «α = O». Es un concepto teórico que simplifica algunas fórmulas y permite comparar explosivos. A partir de «fs» se obtiene el valor de «P».

La presión “P” en Mpa , cuando ρe se expresa en Kg/m3 , viene dada por :

El valor de «α» ha sido estimado por Hino (1959) a partir del volumen específico «Vs» (volumen del explosivo o del barreno entre la masa de explosivo):

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V.

EXPLOSIVOS INDUSTRIALES

Los explosivos químicos industriales se clasifican en dos grandes grupos según la velocidad de su onda de choque. -

Explosivos rapidos y detonantes.- Con velocidades entre 2000 y 7000 m/s Explosivos lentos y deflagrantes .- Con menos de 2000 m/s

Los deflagrantes comprenden a las pólvoras, com puestos pirotécnicos y compuestos propulsores para artillería y cohetería, casi sin ninguna aplicación en la minería o ingeniería civil, salvo en el caso de rocas ornamentales. Los explosivos detonantes se dividen en Primarios y Secundarios según su aplicación. Los Primarios por su alta energía y sensibilidad se emplean como iniciadores para detonar a los Secundarios, entre ellos podemos mencionar a los compuestos usados en los detonadores y multiplicadores (fulminato de mercurio, pentrita,hexolita,etc.).Los Secundarios son los que se aplican al arranque de rocas y aunque son menos sensibles que los Primarios desarrollan mayor trabajo útil. Estos compuestos son mezclas de sustancias explosivas o no, cuya razón de ser estriba en el menor precio de fabricación, en el mejor balance de oxígeno obtenido, y en las características y propiedades que confieren los ingredientes a las mezclas en lo relativo a sensibilidad, densidad, potencia, resistencia al agua, etc. . Los explosivos industriales de uso civil se dividen a su vez en dos grandes grupos, que en orden de importancia por nivel de consumo y no en aparición en el mercado son :

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