tema 4 explosivos
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Guía N° 4. Elementos de Minería – Prof. Bezeida Osío
TEMA 4
EXPLOSIVOS
BREVE HISTORIA DE LOS EXPLOSIVOS
? A.C Descubrimiento de la pólvora.
Siglo XIII Se introduce la pólvora en Asia Central y Europa
1.250 El inglés Roger Bacón publica la fórmula de la pólvora negra en
Inglaterra (nitrato de potasio/sodio + azufre + carbón vegetal).
1.300 Primera aplicación como propelente en armas de fuego, realizado por
Berthold Schwartz
1.627 Se emplea la pólvora por primera vez en minería, en Hungría.
1. 788 El francés Berthollet sustituye el salitre por clorato de potasio
1.799 Howard obtiene el fulminato de mercurio (Hg (CON)2).
1.830 Comienzan los ensayos de fijación de ácido nitrico
1.831 William Bickford reduce los riesgos de la iniciación de la pólvora al
inventar la mecha de seguridad.
1.834 Se obtiene el nitrobenzol
1.835 Se obtiene la nitronaftalina
1.836 El francés Pelouse fabrica la nitroglicerina
1.837 Se obtiene el ácido pícrico
1.846 Ascanio Sobrero obtiene la nitroglicerina
1.863 Alfred Nobel inventa la cápsula detonante (fulminato de mercurio
1.863 Wilbrand obtiene el TNT
1.866 Alfred Nobel inventa la dinamita
1.867 Los suecos Ohlssen y Norrbin descubren las propiedades
explosivas del nitrato de amonio (NH4NO3)
1.875 Alfred Nobel inventa la gelatina explosiva
Altos explosivos secundarios: comprenden una considerable cantidad de
sustancias y compuestos orgánico e inorgánicos, los cuales son utilizados en un
gran número de combinaciones para su utilización comercial. Estos explosivos
tiene como característica principal la relativa o ninguna sensibilidad al choque,
llama o roce, necesitando para su iniciación la acción realizada por la explosión de
un alto explosivo primario los cuales los hace seguro para su manejo y
almacenamiento.
Dentro de este grupo de explosivos tenemos: Monocompuestos, binarios, plásticos
y comerciales
Explosivos monocompuestos: están conformados por un solo compuesto, ya
sea orgánico o inorgánico, considerando al nitrato de amonio como el único
compuesto inorgánico que puede actuar como alto explosivo. Algunos de los
explosivos de un solo compuesto tales como el PTN, TETRIL, RDX, son
utilizados como base en los detonadores utilizados en las voladuras comerciales.
Ejemplos:
Nitrato de amonio (NH4NO3): compuesto químico que solo puede ser
detonado bajo condiciones de gran confinamiento. Es un compuesto de
bajo costo y posee una gran estabilidad química.
Picrato de Amonio: compuesto utilizado como explosivo militar desde
comienzos de siglo. Es menos sensible al impacto que el TNT y
actualmente su uso se ha generalizado en la fabricación de piezas
propulsoras de proyectiles.
TNT: se utiliza comúnmente en la fabricación de torpedos, bombas,
granadas, minas navales y una gran variedad de armas en las cuales se
requiere de un poderoso explosivo.
Explosivos binarios: consisten en mezclas de TNT y otros componentes,
resultando un explosivo superior a él; básicamente son de uso militar y para
algunas operaciones militares.
Ejemplo:
Amatol (Nitrato de Amonio/TNT): es una mezcla de TNT y nitrato de
amonio, la cual se presenta en varias proporciones tales como 80/20,
50/50, 65/35. La proporción mas utilizada es el 60/40.
Explosivos plásticos: son el producto de la mezcla de uno o varios altos
explosivos con materiales capaces de formar una masa plástica que sea
manejable y permita ser utilizada en condiciones húmedas. Se presenta de dos
maneras: de forma masiva, moldeada a mano y de forma laminar que puede
utilizarse de forma de cinta adhesiva.
Ejemplos:
Composición A-3: consiste en un 91% de RDX y 9% de cera. Esta cera es
una cubierta de las partículas de RDX y actúa como agente de ligamento al
ser comprimido el explosivo, tiene una menor sensibilidad al choque que el
TNT.
Composición C-4: constituye el explosivo de mayor uso en actividades
militares, esta compuesto por 91% de RDX, 21% de pologobutileno, 1,6%
de aceite de motor y 5,3% de D2 (2-etilexil) sebacate. Es muy parecido a la
plastilina, de color blando, inodoro, de densidad 1,59gr/cc. Es menos
sensible al impacto que la composición C-3 pero desarrolla mayor potencia
de fracturamiento. Al detonar genera gases venenosos.
Explosivos laminares: De extensas aplicación en trabajos con metales, se
presenta en forma de laminas, consta de una combinación de PETN con
otros ingredientes, puede ser cortado fácilmente para darle la forma
deseada.
Altos explosivos comerciales o de voladuras: Mezclas de alto explosivo,
principalmente nitroglicerina y/o nitrato de amonio con otras sustancias explosivas
o no, ideadas para obtener productos de características definidas de acuerdo al
uso al que se le destine. Poseen características fundamentales tales como el bajo
costo, elevadas eficiencias y baja sensibilidad, lo cual lo hace muy seguro para su
manejo. Se pueden diferenciar como sigue:
Explosivos a base de nitroglicerina: Dentro de los explosivos comerciales son
los de mayor potencia, están constituidos por nitroglicerina y otros componentes
que les proporcionan un balance de oxigeno positivo, dentro de este rango
podemos enumerar.
Dinamitas normales (Straight Dynamite) o dinamitas nitroglicerina
(Nitroglycerin Dynamite): Compuesto de nitroglicerina, nitrato de sodio, un
antiácido (carbonato de sodio, magnesio u oxido de zinc), un combustible
carbonaceo (pulpa de madera) y algunas veces azufre. Tienen uso limitado
debido a su alto costo y alta sensibilidad al choque y la filtración.
Gelatina explosiva (Blasting Gelatine): Explosivo de textura gomosa
compuesto por nitroglicerina y nitrocelulosa. La adición de pequeñas
cantidades de antiácido le proporciona mayor estabilidad para su
almacenaje; añadiéndoselo algunas veces aserrín. Utilizado generalmente
en condiciones criticas de humedad, es el mas poderoso de los explosivos
a base de nitroglicerina y produce una gran cantidad de gases nocivos al
ser detonado.
Explosivas a base de nitroglicerina y nitrato de amonio: En ellos parte de la
nitroglicerina es sustituida por nitrato de amonio, resultando un producto de mas
baja potencia que los explosivos basándose en nitroglicerina y con menos
resistencia ala humedad.
Dinamita Amoniacal (Dinamita Extra): Constituye el explosivo mas
conocido en los trabajos de minería subterránea, son muy seguros en su
manejo y de menor costo que las dinamitas a base de nitroglicerina. Son
poco resistentes al agua, aunque pueden utilizarse en condiciones de
relativa humedad.
Explosivos a base de Nitrato de Amonio: En ellos el nitrato de amonio no actúa
como agregado sino como componente principal, su iniciación depende del
suministro de la energía generada por otro alto explosivo, su resistencia a la
humedad depende del tipo de producto, tienen menor potencia que las dinamitas,
mas bajo costo y alto volumen de gases en expansión. Se les conoce
generalmente como Agentes de Voladura. Dentro de las gama de explosión
fabricados a base de nitrato de amonio tenemos:
Nitrato de Amonio y combustibles mezclados en seco: El mas
ampliamente es la mezcla de nitrato de amonio y fuel oil, conocido como
ANFO, donde el nitrato de amonio es sensibilizado por el combustible. Es el
explosivo mas económico del mercado, su uso esta limitado a lugares
totalmente secos, no resiste la humedad, tiene menor potencia que
cualquiera de los explosivos con nitroglicerina y su presentación es en esa
forma de “prills”, empacado en sacos o distribuido a granel. Es el mas
utilizado en minería a cielo abierto en barrenos de diámetros mayores a 76
mm.
Papillas explosivas (Slurries): Debido a las imposibilidad de emplear al
ANFO en inedios húmedos, se creo la necesidad de un explosivo similar
pero que pudiese ser utilizado en estos medios, desarrollándose una gama
de productos de consistencia semigelatinosa que rechaza la humedad.
Tiene un precio mas elevado que el del ANFO y de mayor potencia,
pudiendo incluso superar al de algunas dinamitas, tienen un balance de
oxigeno positivo, gran eficiencia, aun en pequeños diámetros.
Explosivos permisibles: Explosivos especialmente diseñado para su uso en
minas de carbón con riesgo de explosión por gases.
Bajos explosivos.
Aunque por definición este tipo de compuesto no son considerados como
explosivos sino deflagrantes, por la misma naturaleza de sus componentes y el
tipo de utilización que se les da. Los bajos explosivos o deflagrantes se
caracterizan porque se queman de una forma progresiva a través de un periodo de
tiempo relativamente sostenido; a diferencia de los altos explosivos, quienes se
descomponen instantáneamente mediante un proceso de detonación.
Bajos explosivos pirotécnicos: El mas ampliamente utilizado y mas conocido es
la pólvora negra, la cual en el pasado fue el único producto utilizado en las
voladuras; fue materialmente desplaza por la dinamita.
Pólvora negra: Consiste en una mezcla de sustancias de gran afinidad con el
oxigeno, tales como azufre, carbón y nitrato de sodio y/o nitrato de potasio.
Bajos explosivos propulsores: Los bajos explosivos propulsores (o propelentes)
han sido utilizados exclusivamente en armamento militar y se caracterizan por no
emitir humos (o con baja generación de humo)
Propelentes de base simple (o pólvora de nitrocelulosa): Su componente
principal lo constituye la nitrocelulosa, la cual es gelatinizada al agregarle
solventes orgánicos (alcohol, éter) y un estabilizador, siendo luego convertida en
hilos por extrusión y cortado en pequeños trozos, los cuales son pulidos y
grafitados. Constituye la carga de la vaina de los proyectiles de armas de guerra
ligeras.
Propelentes de base múltiple: Consiste en una mezcla de nitrocelulosa,
nitroglicerina y otros compuestos tales como diglicol dinitrato, triglicol trinitrato,
metriol trinitrato, butanetriol trinitrato, diluida en solventes como la acetona y
gelatinizada con cierto aditivos, formando un producto en forma de barra.
Generalmente este tipo de producto se utiliza en coheteria.
EXPLOSIVOS INDUSTRIALES.
Mientras la experimentación es necesaria para encontrar el mejor explosivo para
cada tipo de roca, puede ser determinado también si las propiedades físicas de la
masa rocosa se conocen . A continuación se mencionan algunas de las diferentes
aplicaciones que en la industria se da a los explosivos:
Minas y canteras: se utiliza en cuatro operaciones básicas:
Prospección
Exploración
Desarrollo
Producción
Se consume una gran cantidad de explosivos para las voladuras de material y su
fragmentación, lo cual permite una mejor manipulación y transporte.
Construcción: Se les utiliza en excavación, limpieza de escombros, corte de
acero y demolición de edificación y fundaciones. Tiene también una amplia
aplicación en construcción de carreteras, túneles, huecos para postcadura, etc.
Prospección geofísica: se utilizan en la prospección de gas y petróleo.
Soldadura: Mediante la utilización de explosivos especiales se efectúan trabajos
de soldaduras de metales de diferentes puntos de fusión y composición
completamente diferente . se ha logrado soldar acero inoxidable con aluminio,
aluminio con cobre, acero con bronce, etc; obteniéndose una soldadura de gran
calidad, resistente a la tracción.
El ANFO, explosivo cuyo nombre es el producto de la unión de loas siglas en
ingles de sus componentes: Amonium Nitrate + Fuel Oil.
Desde su introducción, a mediados de los años 50, el ANFO a encontrado un
extenso uso en una gran variedad de trabajos de voladura, tales como: minería de
superficie metálica y no metálica, canteras y construcción. Sus limitaciones, tales
como su baja densidad y poca resistencia a la humedad, deben ser consideradas
antes ser utilizados en cualquier trabajo de voladuras.
DINAMITAS.
En el mercado existen tres tipos básico de dinamita, la dinamita granular,
semigelatina y gelatina. Las dinamitas granulares no contienen nitrocelulosa y
presentan una textura granulosa.
ACUAGELES (SLURRIES).
Los acuageles o “slurries”, inicialmente, fueron diseñados para su utilización en
voladuras de barrenos de gran diámetro y en condiciones de humedad, como
explosivo de bajo costo que sustituyera al ANFO. Estos productos son insensibles
al detonador y para ser iniciados necesitan un reforzador o búster. Los slurries
son resistentes al agua y pueden ser bombeados dentro del hueco o
suministrados en bolsas plásticas.
Los acuageles están compuestos por nitrato de amonio, TNT, agua y sustancias
homogenizantes y gelatinizantes.
CARACTERISTICAS DE LOS EXPLOSIVOS
Velocidad de Detonación (VOD): es el rango al cual la onda de detonación viaja
a través de la columna del explosivo, esta varia para cada explosivo aumentando
con el diámetro del cartucho, confinamiento y energía de iniciación, entre mayor es
la velocidad de detonación mayor es el poder de fragmentación.
Densidad: es una de las propiedades más importantes a considerar en el
momento de diseñar una voladura. Debe distinguirse la densidad del explosivo,
que es la densidad propia de la sustancia explosiva y la densidad de carga que es
la relación entre el peso del explosivo y la longitud que ocupa en el barreno.
Densidad por gravedad específica: consiste en la comparación de la densidad de
la sustancia explosiva con la densidad del agua y se expresa en gr/cc.
Densidad de carga lineal: es la cantidad de explosivos en kg por metro de longitud
de carga.
Presión de Detonación: cuando un explosivo detona, esta tremenda presión es
liberada instantáneamente en una onda de choque de muy corta duración,
proporcionándole al explosivo una propiedad denominada Brisance, lo cual no es
más que el efecto de corte o fractura que produce el explosivo instantánea sobre
algún elemento.
Potencia: es la característica más importante de un explosivo industrial y puede
definirse como la energía disponible para producir efectos mecánicos. La potencia
es la medida precisa de la capacidad del explosivo para proyectar materiales.
Resistencia al agua: es la resistencia de un explosivo de absorber y retener la
humedad, siendo expresada por el número de horas en las cuales un producto
puede ser sumergido en agua estática sin perder sus características.
Resistencia a bajas temperaturas: los explosivos que contienen nitroglicerina
tienden a congelarse a temperaturas inferiores a 8 °C. Para evitar ese
inconveniente los productos a base de nitroglicerina llevan una proporción de
nitroglicol que hace que su punto de congelación sea inferior a (-15 °C).
Sensibilidad: es la medida de excitación requerida para iniciar o facilitar una
reacción explosiva y puede ser analizada de acuerdo a:
Sensibilidad al impacto: medida de la magnitud del impacto que requiere una
mezcla explosiva para ser detonada.
Sensibilidad a la fricción: medida de la temperatura generada por la fricción, que
puede hacer detonar un explosivo
Cualquiera, esta temperatura es generada por la aplicación de una fuerza de
fricción sobre el explosivo.
Sensibilidad al calor: el calor puede descomponer un explosivo (temperatura
crítica). Cuando un explosivo se coloca en un ambiente de altas temperaturas, el
explosivo absorbe el calor causando la descomposición, la cual puede ir desde la
inactividad hasta su auto detonación.
Sensibilidad a la chispa: es la facilidad de detonación de un explosivo al estar
en contacto con una chispa eléctrica, metálica, etc.
Sensibilidad al detonar: es la medida más importante que se debe conocer al
momento de diseñar una voladura.
Emanación de gases: los gases resultantes de la detonación de los explosivos
comerciales y agentes de voladuras, en su mayoría no son tóxicos, tales como
bióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua, sin embargo con ellos también se
generan aunque en menor proporción gases altamente tóxicos como monóxido de
carbono y los óxidos de nitrógeno.
Inflamabilidad: es la facilidad con la cual un explosivo o agente de voladura
puede ser inflamado por la acción del calor.
Estabilidad química: es la propiedad de un explosivo de permanecer inalterado
químicamente durante el tiempo de almacenamiento.
Balance de oxígeno: el oxígeno que interviene en la reacción química de un
explosivo es tomado de su propia composición química, debido a que por la
rapidez y violencia de la misma no da tiempo a tomarlo del ambiente.
ELECCIÓN DE UN EXPLOSIVO
La elección de un explosivo debe hacerse de acuerdo con una serie de
condiciones que es preciso considerar:
1.- Humedad de los barrenos: la roca puede ser de una naturaleza tal, que los
barrenos se llenen o contengan parcialmente el agua procedente de las grietas del
terreno. Generalmente en estos casos es inútil intentar secar el barreno, dada la
rapidez con que vuelve a inundarse. Debe entonces emplearse un explosivo
resistente al agua.
2.- Toxicidad de los gases de explosión: esta circunstancia debe impedir el
empleo de ciertos explosivos en lugares cerrados o pocos ventilados.
3.- Naturaleza de la atmósfera: En minas en la que exista desprendimiento de
grisú, polvo de carbón, etc., es preciso el uso de explosivos de seguridad.
4.- Diámetro y profundidad de los barreno: en barrenos de diámetro menores
de 40 mm.; se deberá limitar la longitud de las cargas, o utilizar un explosivo que
tenga una buena propagación para evitar que parte de la carga quede sin detonar.
Si los barrenos son profundos y verticales y la carga se hace dejando caer
libremente los cartuchos, se deben escoger explosivos que no sean
excesivamente sensibles al choque y al rozamiento, puesto que existe un riesgo
de accidentes.
5.- Naturaleza de la roca: la dureza de la roca siendo muy variable, influye de una
manera importante en la elección del explosivo, la fragilidad, estratificación, fisuras
e inclusiones son así mismo datos a considerar. Una roca dura y compacta como
el granito, exige el empleo de un explosivo más rompedor que una caliza. Un
explosivo potente da en general peores resultados en una roca blanda como el
yeso, que u explosivo de potencia media.
6.- Fragmentación: si se pretende obtener grandes bloques de corte limpio, por
ejemplo de mármol, será necesario utilizar un explosivo deflagrante como la
pólvora negra, cuya acción es en esencia de empuje. Si por el contrario se desea
un material fragmentado, para construcción cemento, etc, deberá emplearse un
explosivo rompedor.
7.- Carga de fondo y carga de columna: en la mayor parte de las voladuras se
requiere una concentración de explosivos en el fondo, considerablemente mayor
que en el resto del barreno, ya que en aquella zona presenta una mayor
resistencia a la rotura. Por ello la carga de fondo debe hacerse con un explosivo
potente y de gran densidad, mientras que para la carga de columna es suficiente
un explosivo menos denso.