Humos Rojos en Voladura a Cielo Abierto: Causas y Prevención 1
Carlos P. Orlandi
RESUMEN: En años recientes se ha registrado una mayor frecuencia de voladuras que han generado gases tóxicos, en particular óxidos de nitrógeno, caracterizados por su coloración anaranjada o rojiza. Publicaciones recientes estudian el aumento de eventos con gases nitrosos en la minería del carbón en Australia i. La aparición de humos de color luego de una voladura es señal de alguna anormalidad en el proceso de detonación. Aunque este fenómeno ocurre usualmente por una detonación incompleta o de bajo orden, los factores que contribuyen no están asociados solamente a la calidad del explosivo, sino que a toda la cadena del proceso minero, desde su diseño hasta la operación. Malas prácticas de carguío y un diseño inadecuado de la iniciación son frecuentes causas de mal funcionamiento del explosivo. Las condiciones climáticas y del macizo rocoso son descritas en la literatura como otras posibles causas ii. La aparición de estos humos, todos ellos de alta toxicidad, presenta en primera instancia un riesgo para las personas, y, además, un problema económico, por la necesidad de detener la operación y esperar la evacuación total de los gases. Por este motivo éste debe ser un tema de permanente preocupación en la Industria Minera; en este trabajo se presenta las principales causas y las recomendaciones para mitigar la generación de estos humos en el proceso de voladura. vol adura. PALABRAS CLAVE: Humos tóxicos, óxidos de nitrógeno, gases nitrosos, humos rojos.
1 Introducción Por diferentes razones se ha hecho común la aparición de “humos rojos” postvoladura en la minería a cielo abierto en diferentes partes del mundo. Coincidentemente, en la actualidad prácticamente la totalidad de los explosivos industriales tienen como componente principal el Nitrato de Amonio (NA), cuya función principal es el aporte de oxígeno a las reacciones de detonación. Estas reacciones no son más que una rapidísima combustión de diferentes sustancias orgánicas, como el petróleo diesel en el ANFO y aceites minerales en diferentes tipos de emulsiones, en las que el NA tiene como función principal aportar el oxígeno necesario. Para que esta combustión sea eficiente debe existir un adecuado balance estequiométrico entre oxidantes y combustibles, lo que conocemos como como balance de oxígeno (BO). (B O). En condiciones ideales, los productos de la detonación de un explosivo basado en nitrato de amonio deberían ser nitrógeno (N 2), vapor de agua (H 2O) y dióxido de carbono (CO2), todos ellos incoloros. La aparición de “humos rojos” luego de las voladuras, conocidos así por su coloración típica, que puede ir desde un amarillo 1
Gerente Técnico y de Desarrollo de ENAEX Servicios S.A.; Académico Part-time de la Facultad de Economía y Negocios de la Universidad Alberto Hurtado y de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile; Miembro del Comité Internacional del Grupo FragBlast; Miembro del Directorio de SAFEX International; Presidente de la Asociación Chilena de Ingenieros Explosivistas A.G. (ASIEX); Miembro del Directorio de Minnovex A.G.
pálido hasta un anaranjado o rojizo intensos, es señal de alguna anormalidad en el proceso de detonación iii. Este fenómeno ocurre usualmente a causa de una reacción de combustión desbalanceada en oxígeno, una detonación incompleta o de bajo orden, o también como producto de una reacción del explosivo con sustancias propias del terreno. Publicaciones recientes estudian el aumento de eventos con gases nitrosos en la minería del carbón en Australia, destacándose la influencia de situaciones climáticas iv, específicamente lluvias intensas . La primera situación mencionada, desbalance de oxígeno, puede producirse, por ejemplo, por mala dosificación del petróleo en el ANFO, por disolución del NA del ANFO debido a humedad o agua existente en los barrenos, o bien por arrastre físico de la emulsión, en caso de haber aguas dinámicas. Existe también la posibilidad de daño químico a la emulsión cuando ésta no resiste alguna contaminación del agua, siendo las más comunes una alta acidez y la presencia de algunas sustancias que reaccionan con el nitrato de amonio. Esta situación es usual en voladura de roca con alto contenido de piritas activas (en proceso de oxidación natural) v,vi. El segundo mecanismo citado, ocurrencia de una reacción química de bajo orden, como es el caso de una deflagración, puede ocurrir si el explosivo ingresa a grietas del terreno de espesor inferior a su diámetro crítico; también puede darse el caso que, aunque la detonación del explosivo haya sido completa, se generen óxidos de nitrógeno por un efecto termodinámico que altera la composición de los gases resultantes debido al enfriamiento brusco causado por presencia de agua de muy baja temperatura vii o por expansión de los gases en un medio rocoso de baja competencia mecánica iv. La aparición de estos óxidos de nitrógeno, todos ellos de alta toxicidad en diferentes concentraciones y tiempo de exposición, presenta en primera instancia un riesgo para las personas y un impacto al medioambiente, y constituye además un problema económico, por la necesidad de detener la operación y esperar la evacuación total de los humos. Cabe destacar que la percepción de pérdida de energía del explosivo no tiene fundamento teórico ni comprobación empírica vii. 2 Causas Típicas Como se señaló, la causa de la aparición de “humos rojos” puede estar en el explosivo mismo, en algún fenómeno físico o químico asociado al macizo rocoso o en la interacción entre éste y el explosivo. En minería a cielo abierto, lo más usual hasta hace algún tiempo era asumir como única causa una mala preparación del explosivo, con un mal balance de oxígeno, o, dicho de otro modo, con insuficiente combustible. Esto proviene de los inicios del uso masivo de explosivos basados en nitrato de amonio, pues los equipos de mezclado no permitían asegurar una adecuada dosificación en forma permanente. Así se tendía a “culpar” del problema al explosivo, sin un mayor análisis de otras posibles causas. Los equipos actuales y buenas prácticas de operación permiten garantizar una buena mezcla, lo que ha hecho patente la necesidad de considerar otros factores contribuyentes exógenos, ajenos al explosivo mismo, como algunos de los ya
señalados:iii − Selección inadecuada del explosivo o malas prácticas de carguío, como uso de ANFO en presencia de humedad y vaciado de mezclas a través del agua de los pozos, respectivamente. − Presencia de agua dinámica que daña físicamente el explosivo o agua ácida, que puede atacar químicamente algunos explosivos. − Enfriamiento de los gases de detonación por agua muy fría o por expansión temprana de los gases en roca muy blanda. − Iniciación insuficiente. − Existencia de grietas en el terreno que crucen los barrenos. − Presencia de minerales sulfurados en el macizo rocoso, especialmente piritas activas. El objetivo de este trabajo es proponer una sistematización de las acciones necesarias para evitar la generación de gases tóxicos post-voladura y recomendar acciones que permitan mitigar las situaciones más frecuentes, resumidas en una metodología de análisis y prevención de su generación en voladuras en explotaciones a cielo abierto. 3 Humos Tóxicos Generados por Detonación de Explosivos En la industria de explosivos el término “humos” se refiere normalmente a los gases tóxicos producidos por la detonación, para distinguirlos de aquellos gases no tóxicos, que son llamados simplemente “gases”. Los “gases” resultantes de la detonación de mezclas explosivas son principalmente dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y vapor de agua (H2O); todos estos son, esencialmente, no-tóxicos. Adicionalmente, y por razones diversas, se puede producir una variedad de gases tóxicos, siendo los más comunes el monóxido de carbono (CO) y mezclas de óxidos de nitrógeno, principalmente NO2, N2O y NO, que se designan como NOx (Anexo). Las características relevantes de éstos son: • Monóxido de carbono (CO): − Gas incoloro, Inodoro e Insípido. 2 − TLV= 50 ppm (partes por millón) . − Una de las formas en que se produce es por la combustión incompleta del carbono, desde compuestos que los contengan. Este proceso tiene lugar cuando la cantidad de oxígeno disponible es inferior a la necesaria para una combustión completa; en términos prácticos, esto ocurre por un exceso de combustible (petróleo, en el caso del ANFO). 2
TLV (Thresold Limit Value): corresponde a la concentración máxima que puede haber en el ambiente de un determinado elemento, sin que provoque daños a la salud su exposición durante 8 horas diarias en jornadas de 40 horas semanales.
Efectos nocivos: dolor de cabeza, vómitos, náuseas, asfixia, muerte en caso de exposición prolongada. • Óxidos de nitrógeno (NOx): − Gases de color que puede ir de amarillo a anaranjado – rojizo hasta marrón, dependiendo de su concentración. − TLV = 5 ppm. − Los NOx corresponden a mezclas de NO y NO 2, generados usualmente por combustión de hidrocarburos o carbón. Una de las formas en que se producen es por el exceso de oxígeno durante la detonación de productos nitrados, es decir, cuando el oxígeno disponible es superior a la cantidad necesaria para la combustión (detonación) completa, de la que se desprendería solamente N2 si se tuviera la cantidad de oxígeno correcta. − Efectos nocivos: edema pulmonar, que puede ser fatal en caso de exposición intensa y/o prolongada. La aparición de síntomas no es siempre inmediata. Otros gases tóxicos que se pueden generar bajo ciertas condiciones, dependiendo principalmente de la composición del explosivo, son amoníaco (NH 3) y ácido sulfhídrico (H2S), fáciles de detectar por sus típicos olores. Los explosivos se formulan para producir la condición de menor riesgo, diseñando el balance de oxígeno para evitar la generación de óxidos de nitrógeno; por esto en los productos de la detonación está casi siempre presente monóxido de carbono, por ser menos riesgoso que los óxidos de nitrógeno. El desarrollo de modelos termodinámicos del proceso de detonación, altamente complejo, ha permitido tanto optimizar el diseño de explosivos como desarrollar formulaciones especiales para aplicaciones específicas, a pesar de lo cual se puede afirmar que no existe un explosivo absolutamente inocuo viii. Más aún, veremos que la generación de humos coloreados depende más de condiciones operacionales y ambientales asociadas a la voladura que a la composición de los explosivos i, ii, viii. −
4 Balance de Oxígeno Este concepto representa la relación entre la cantidad de oxígeno efectivamente disponible para la reacción de detonación y la teóricamente necesaria para que ésta sea completa, expresada en tanto por ciento del peso del explosivo. En la práctica, el balance de oxígeno (BO) representa el exceso o defecto de oxígeno para lograr la combustión completa de un compuesto o una mezcla. Se determina calculando el oxígeno requerido para que el resultado de la conversión del material explosivo a productos finales estables, como N 2, CO 2, H 20, SO2, Al2O3,... (según la respectiva composición), sea teóricamente completo; por esto se le conoce también como “balance estequiométrico de combustión”. Si hay oxígeno insuficiente para la reacción completa de la oxidación se dice que el compuesto tiene un BO negativo; en este caso hay un exceso de combustible con relación al equilibrio estequiométrico. Por el contrario, se tiene un BO positivo
si hay presencia de un exceso de oxígeno (o deficiencia de combustible). 2CH2 + 3O 2 → 2CO 2 + 2H2O 2NH4NO 3 → 4H2O + 2N2 + O 2
El BO corresponde a la proporción que representa el peso de oxígeno contenido o requerido respecto al peso total del compuesto. Algebraicamente: BO compuesto = β PMo2 / α PMcompuesto BO mezcla = Σ BOi x Xi Ejemplo: Nitrato de Amonio (NA) = NH4NO3 2 NH4NO3 ===> 4 H2O + 2 N2 + O2 Como PM NA = 14 + 4x1 + 14 + 3x16 = 80 y PM o2 = 2x16 = 32 ===> BO = 1 x 32 / 2 x 80 = + 0.2 = + 20 % Esto indica que el NA aporta el 20 % de su peso como oxígeno para la reacción de detonación. 5 Proceso de Detonación del ANFO El proceso de detonación del ANFO, y en general el de todos los agentes de voladura, debe ser provocado mediante la detonación sucesiva de una cadena de reacciones o “tren” que lo forman un detonador, que se activa por una fuente externa, y un “booster” o multiplicador: − El booster genera una onda de choque que se traduce en una compresión de los microporos internos de los gránulos de Nitrato de Amonio; la compresión adiabática del aire ocluido en los poros cerrados genera calor. − Estos poros actúan como “puntos calientes” (hot spots), por el calor que generan como consecuencia de la compresión violenta. Si este calor es suficiente y no se pierde o disipa al medio circundante, se genera la violenta reacción química exotérmica de la mezcla NA + FO. − Ésta, a su vez, provoca la expansión de los gases de reacción, amplificando el frente de choque y comprimiendo los siguientes poros, lo que permite la continuidad del proceso a lo largo de la columna de explosivo. − La repetición de este proceso permite la propagación de la detonación en la masa del explosivo (en estricto rigor, del “agente de voladura”). De la ecuación de la reacción de detonación del ANFO es posible obtener algunas conclusiones: 3NH 4NO 3 + CH 2 ⇔ 7H 2 O + 3N2 + CO 2 + ∂Q −
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Explosivos con deficiencia de oxígeno favorecen la formación de monóxido de carbono (CO); Explosivos con exceso de oxígeno favorecen la formación de óxidos de
nitrógeno (NOx); − Lo anterior puede ocurrir por falta de petróleo o por reemplazo de éste por un aceite de mala calidad (con impurezas o agua), que puede ser el caso de uso de aceites lubricantes usados no tratados adecuadamente; − Si se retira en forma rápida el calor (δQ) durante el proceso de expansión de los gases resultantes antes de completar la reacción, ésta tenderá a desplazarse hacia la derecha en la ecuación anterior, formando óxidos de nitrógeno (NOx). Del proceso de propagación de la detonación por compresión adiabática se infiere: − La “sensibilización” mediante adición de microburbujas (producidas mediante gasificación química o físicamente por incorporación de microesferas huecas) aumenta la eficiencia de la reacción debido a la mayor generación de calor durante el proceso de compresión de las microburbujas adicionales de aire o gas. Este calor aumenta la temperatura de reacción y produce una mayor expansión de los gases resultantes, lo que ayuda a disminuir la probabilidad de formación de NOx. − Estas microburbujas actúan del mismo modo que los microporos cerrados del nitrato de amonio del Anfo, mejorando la eficiencia termodinámica de la mezcla. Los gases resultantes alcanzan mayores temperaturas, la rapidez de la reacción aumenta, y, como consecuencia, también la velocidad de detonación. Del mismo modo, aumenta la eficiencia del explosivo, al aprovecharse una mayor proporción de su energía teórica. 6 Otras posibles causas de Gases Tóxicos En la literatura se describen múltiples situaciones y condiciones que contribuyen a la generación de humos tóxicos. Entre éstas cabe mencionar las siguientes: − Formulación inadecuada del explosivo o mezclado deficiente o irregular de ANFO o mezclas ANFO / Emulsión (Anfos Pesados), como ya se mencionó. Esto considera también posible inyección excesiva de aditivos en el caso de explosivos gasificados químicamente, lo que puede producir gases anaranjados desde el comienzo del proceso. − Explosivo insuficientemente sensibilizado para las condiciones particulares. Por ejemplo, gasificación química insuficiente para la longitud de la columna explosiva o para el diámetro de los barrenos. El exceso de combustible en el ANFO puede hacerle perder sensibilidad, especialmente si está fabricado con nitrato de amonio de baja porosidad (caracterizada por una mayor densidad); lo mismo puede suceder con mezclas de ANFO y emulsión. − Dilución o contaminación excesiva del explosivo con material inerte, como detrito de perforación. Esto puede generar detonación parcial del explosivo, similar al caso anterior. − Uso de un explosivo sin suficiente resistencia al agua, provocando una
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disolución del nitrato de amonio de la mezcla en el agua de los barrenos y su posterior descomposición por la temperatura generada por la porción del explosivo que sí detona. Presencia de agua ácida que puede dañar o destruir la emulsión, en el caso de Anfos Pesados, de agua que contengan alguna contaminación con compuestos que puedan reaccionar químicamente con el explosivo. Entrampamiento de agua en el explosivo durante el proceso de carguío. Esto puede ocurrir por vaciamiento del explosivo a través de agua en el taladro sin dejar tiempo para su adecuada evacuación viii, ix o un proceso de bombeo poco cuidadoso (retiro muy rápido de la manguera de bombeo, o excesivo flujo que cause turbulencia dentro del barreno, por ejemplo). Esta mala práctica operacional puede implicar desde detonación incompleta de parte del explosivo hasta un tiro parcialmente fallido. Se ha demostrado a escala de laboratorio que un “bolsón” de agua de suficiente tamaño puede discontinuar la propagación de la detonación del explosivo, y que bolsones de menor tamaño pueden trasmitirla haciendo que deflagre el explosivo, generando humos rojos. Este fenómeno es también variable según el grado de confinamiento de la carga. Detonaciones de bajo orden, como deflagración de la columna explosiva. Esta situación puede darse con o sin presencia de residuos de explosivo no detonado o parcialmente “quemado”. Usualmente se obtienen resultados pobres en fragmentación y desplazamiento de la pila. Las causas pueden ser múltiples, siendo las más corrientes asociadas a primado insuficiente (“booster” muy pequeño, por ejemplo), especialmente en presencia de agua. Esto puede ocurrir también por desensibilización parcial del explosivo a causa de compresión excesiva generada por la detonación previa de cargas adyacentes.ix Detonaciones tardías e incompletas (deflagración) de explosivo entrampado en fracturas o grietas alrededor de los taladros. Esta situación suele producirse en terrenos muy agrietados y en roca sedimentaria. Excesiva permanencia del explosivo en los taladros, lo que puede permitir daños causados por estabilidad de las mezclas mismas o por condiciones propias del terreno (vibraciones, agua, piritas). Como se señaló antes, el enfriamiento brusco de los gases producto de la detonación durante su proceso de expansión puede generar óxidos de nitrógeno vii. Este enfriamiento puede ser provocado por agua muy fría o hielo entrampado en el macizo rocoso, o bien por expansión temprana de los gases en macizos poco competentes, como depósitos aluviales y terrenos sedimentarios. Una pérdida de calor similar puede ocurrir en terrenos de alto contenido de ciertas sales (sal común) o yeso, que son altamente absorbentes de calor (en el caso del yeso, por presencia de agua molecular). Uso de aceites lubricantes reciclados sin tratamiento adecuado. Es común hoy día, tanto por razones medioambientales como económicas, reemplazar todo o parte del petróleo diesel del ANFO o de la fracción ANFO
de los Anfos Pesados por aceites lubricantes usados. Para hacer esto en forma eficiente y segura es necesario procesar adecuadamente los aceites lubricantes reciclados a fin de eliminar impurezas excesivas antes de mezclarlo con el petróleo diesel. La presencia de lodos, agua y sólidos en suspensión puede afectar tanto el balance de oxígeno de la mezcla como la estabilidad de las emulsiones, en el caso de los Anfos Pesados. Cabe hacer notar que una pequeña cantidad de agua presente en el aceite, emulsionada en forma de microceldillas, puede ser favorable para el proceso de detonación x, pero esto debe considerarse en la formulación del explosivo. 7 Humos Rojos en Voladuras de Minerales Sulfurados iii, v, vi Ya se mencionó que los minerales sulfurados, en particular los que contienen piritas en proceso de oxidación natural (“desgaste”), pueden reaccionar con los explosivos bajo determinadas circunstancias, formándose un sistema de reacciones químicas simultáneas complejas. En las voladuras de estos minerales puede ocurrir desde generación de gases tóxicos (humos anaranjados) hasta una detonación prematura del explosivo, producto de una reacción en cadena autosostenida al alcanzarse la temperatura de autocatalización (usualmente del orden de 115 - 120 °C, aunque bajo condiciones muy específicas, la iniciación puede ser a una temperatura tan baja como 65 o 70 °C). Este fenómeno, ampliamente estudiado, ocurre cuando se suman varias condiciones en forma simultánea, hasta producirse una reacción autosostenida altamente exotérmica que puede derivar en descomposición violenta del explosivo iii, iv, xi. A pesar de la complejidad del proceso, es posible distinguir los aspectos relevantes que deben tenerse presentes para analizar el grado de riesgo de reactividad, sin olvidar que todos los explosivos que contienen nitrato de amonio pueden reaccionar en presencia de rocas piritosas bajo ciertas condiciones, produciéndose una reacción química cuyo desarrollo depende de condiciones específicas, especialmente del grado de oxidación de las piritas. Los minerales de pirita se oxidan en forma natural y permanente, ya sea por agentes atmosféricos o ambientales (condiciones del mineral in-situ) formando sulfato ferroso heptahidratado ii, v. La oxidación natural de las piritas se caracteriza porque en estas condiciones el terreno presenta humedad, producto de las propias reacciones químicas, siendo la presencia de sulfato ferroso un indicador de esta reactividad. El sulfato ferroso es el causante de la aceleración de la reacción del nitrato de amonio y afecta la temperatura de iniciación de las reacciones químicas de descomposición; la presencia de acidez cataliza las reacciones; esta reacción puede desencadenar una posible deflagración o detonación prematura del explosivo. Rocas de piritas activas, en pleno proceso de oxidación aeróbica, generalmente tienen temperaturas mayores que la roca no piritosa o inactiva de la misma área, por lo que este parámetro es un buen indicador del riesgo potencial de reactividad. La presencia de exceso de agua ayuda a disminuir el riesgo, ya que un gran volumen de agua, o bien agua dinámica, sirve de refrigerante, disipando el calor. Cabe destacar que una roca totalmente seca es de bajo riesgo, ya que
no hay reacción química de oxidación; a pesar de esto, un explosivo acuoso cargado durante varios días puede gatillar una situación de riesgo. El petróleo del Anfo o Anfos Pesados protege al nitrato de amonio, al formar una molécula compleja inerte que retarda la reacción de oxidación; la presencia de emulsión en la mezcla explosiva produce también un efecto retardante. El uso de inhibidores químicos permite disminuir el riesgo de reactividad, minimizando tanto la posibilidad de generación de óxidos de nitrógeno como la ocurrencia de reacciones autosostenidas, al aumentar el umbral de temperatura a la que éstas comienzan; estos inhibidores forman moléculas complejas impidiendo que el sulfato ferroso reaccione con el Nitrato de Amonio. También el uso de aditivos creadores de “puntos calientes” (hot spots) en el explosivo permite obtener una reacción de detonación de mayor rapidez y eficiencia, produciendo gases a mayor temperatura, lo que puede inhibir o reducir la formación de gases del tipo NOx. 8 Observaciones en Terreno La generación de óxidos de nitrógeno puede ocurrir de diferente manera y en diferentes momentos de la voladura, haciendo visibles los humos rojos también en forma diferente. Distinguir esto puede dar luces con relación a las posibles causas. Por ejemplo, hace años era corriente que el primer taladro de una voladura produjera humos coloreados, de diversa intensidad, y ninguno otro lo hiciera. Esto ocurría por falta de petróleo en la primera carga del camión, causada por el diseño poco sofisticado de los “camiones fábrica”, activación inoportuna de la válvula de alimentación o por errónea ubicación del punto de inyección de petróleo. Los actuales equipos cuentan con computador a bordo que impiden esta situación. Hay terrenos en que nunca aparecen humos nitrosos si están secos, pero sí presentan humos cuando tienen agua, muchas veces de baja intensidad pero extendidos en gran parte del disparo; esto es señal de un primado pobre para estas condiciones o de aguas lluvia remanentes en el terreno. Publicaciones recientes muestran el efecto de este tipo de agua lluvias, provocando impensadas apariciones de humos rojos i. El análisis de este fenómeno empírico hace pensar que la humedad recibida por el NA implica un “consumo” de energía que reduce la eficiencia de la reacción química, haciendo que ésta sea incompleta. En estos casos es recomendable usar un booster de mayor tamaño o primado doble, si la columna es muy larga, o bien usar un explosivo de mayor sensibilidad. La aparición tardía de humos anaranjados, segundos después de completarse la voladura, es señal de enfriamiento de los gases o de reacciones secundarias de éstos con sustancias químicas presentes en el macizo, como el sulfato ferroso señalado en el punto anterior. En estos casos los humos anaranjados parecen emerger con algún retardo desde la pila de material fragmentado. Las Figuras 1 y 2 muestran fotografías casos de generación intensa de humos anaranjados en un pórfido cuprífero. La primera corresponde a un típico caso de explosivo desbalanceado en oxígeno; la segunda, parece mostrar un caso de reactividad de piritas.
Fig. 1 Gases Nitrosos típicos de Explosivo con Desbalance de Oxígeno
Fig. 2 Gases típicos de voladura en terreno con piritas activas
Debido a que no siempre se dispone de antecedentes necesarios, especialmente de los parámetros relevantes del macizo rocoso, es difícil correlacionar la generación de humos rojos con situaciones operacionales, pero sí es posible focalizar las investigaciones hacia conclusiones que permitan poner la situación bajo control. En las situaciones mostradas en las fotografías de las Figs. 1 y 2 fue posible clarificar algunos aspectos relacionados con el explosivo mismo, la operación de carguío y las características del macizo. El primer caso correspondió a una mala calibración del camión en una operación en Chile. En el segundo, ocurrido en Perú, la identificación del tipo de mineral, su composición química, la anticipación de la perforación con respecto al carguío con explosivos y el tiempo de permanencia de éstos en los taladros permitió aclarar el problema en esa zona. Se correlacionó toda esta información, incluyendo antecedentes del diseño de cada voladura, registros de los explosivos utilizados, fotografías, videos, pruebas de laboratorio y de voladuras de casos simulados, replicando las condiciones a investigar en perforaciones individuales. Las estadísticas disponibles mostraban presencia de humos anaranjados en casi un 20 % de las voladuras en el período estudiado (seis meses), existiendo casos de distinta intensidad. Según la experiencia del autor y de la literatura técnica sobre esta materia, fue posible determinar que había factores de distinta índole que en este caso en particular podrían ser la causa de esta situación. Un parámetro estudiado fue la posible presencia de pirita, calcopirita u otros minerales sulfurados, ya que las observaciones permiten anticipar su presencia
en cantidades variables en el yacimiento, lo que fue posteriormente corroborado mediante análisis químico. Existen experiencias en Chile de fuerte reacción de explosivos con minerales reactivos, siendo de particular interés las ocurridas en mina de cobre de Chuquicamata (1989) iii y en la de hierro de Los Colorados (2006) xi. 9 Resumen de Causales Típicas de la Generación de “Humos Rojos” En los cuadros 1 y 2 se resume las causales más recurrentes de generación de óxidos de nitrógeno. Como ya se señaló, éstas no dependen únicamente del explosivo y situaciones operacionales, sino que también de condiciones del macizo rocoso, ambientales y mineralógicas. Distinguiremos, entonces, causas operacionales más relevantes (Cuadro 1) y causas asociadas al terreno (Cuadro 2). Cuadro 1: Causas Operacionales Típicas PARAMETRO
EFECTO
Producto
La selección de un producto no adecuado para las condiciones ambientales de la voladura, puede ocasionar resultados no esperados.
Dosificación del Explosivo (calidad de mezclado)
La relación de ingredientes en la formulación del producto explosivo influye directamente en el tipo de gases generados durante la detonación. Ésta afecta directamente el Balance de Oxígeno del producto.
Operación de Carguío
Vaciado del explosivo a través de una columna de agua en el barreno o bombeo descuidado de una emulsión que cause mezcla con lodos de la perforación.
Primado
Un primado inadecuado puede resultar en una falla de la detonación, dificultad de conseguir la velocidad de régimen o una deflagración completa del explosivo.
Permanencia del Explosivo en los Taladros
Ésta debe considerar las condiciones del terreno. Una excesiva permanencia en condiciones adversas (vibraciones, agua, piritas) puede provocar daños ya sea disminuyendo la estabilidad de las mezclas mismas o por reacción con sustancias propias del terreno.
Anticipación de la Perforación en Terrenos Piritosos
La oxidación de las piritas puede acelerarse en la superficie interior de los barrenos húmedos si la perforación se realiza con mucha anticipación al carguío de explosivos, aumentando el riesgo de reactividad.
Cuadro 2: Causas Ambientales o del Macizo PARAMETRO
Presencia de Agua
Roca Reactiva
Confinamiento
Terreno muy blando o “esponjoso”
Diámetro de los Taladros
Grietas o Roca Fracturada
EFECTO Disminuye la energía disponible para la conversión de las materias primas del explosivo en productos de la detonación. Puede bajar la temperatura de la detonación y la temperatura de los gases resultantes, posibilitando la generación tardía de gases nitrosos. La reacción de sustancias presentes en el terreno con el explosivo, podría afectar su formulación o provocar reacciones químicas secundarias (presencia de piritas, por ejemplo). Un mal confinamiento puede producir la pérdida de energía generada durante la detonación, impidiendo que las reacciones químicas involucradas sean completas. Un barreno en terreno blando puede expandirse considerablemente por la falta de fuerzas restrictivas, causando reducción de la temperatura y de la presión y, como consecuencia, disminuyendo la efectividad de la reacción química a medida que aumenta el volumen, lo que puede conducir a la formación de óxidos de nitrógeno i. Afecta la VOD del producto explosivo, hasta impedir su detonación en el caso de ser inferior a su diámetro crítico. Favorece el depósito de explosivos en las grietas, el que tiende a detonar en forma incompleta o deflagrar si el diámetro equivalente de la grieta es inferior al diámetro crítico del explosivo.
10 Recomendaciones: Se propone implantar procedimientos de gestión y de operación que permitan tener los procesos asociados a la voladura permanentemente bajo control, según la siguiente pauta de trabajo, propuesta como un plan de acción preventivo: • Gestión: − Mantener una modalidad de trabajo en red o disponer un equipo permanente de trabajo multidisciplinario a fin de aprovechar sinergias y experiencias que permitan anticipar la ocurrencia de situaciones indeseadas y, eventualmente, acelerar la solución de éste u otro tipo de problemas. Mantener un solo canal de comunicación formal o disponer de acceso en línea para compartir información son prácticas ya usuales en muchas compañías mineras, que vale la pena imitar.
Desarrollar un sistema de Gestión de Bases de Datos e Información asociada a la Voladura, que permita correlacionar causa - efecto en la cadena de procesos. Este sistema permite realizar una gestión global y unificar criterios, facilitando tanto analizar problemas complejos, como la aparición de humos rojos, como también registrar información para evaluar mejoramientos en los procesos productivos aguas abajo (rendimiento de palas, camiones, chancador, molinos y procesamiento del mineral). − Para el caso particular de los humos rojos, el sistema de gestión debe contener al menos: Toda la información directa del diseño de cada voladura: malla de perforación, explosivos utilizados, tipo de taco, sistema de iniciación; secuencia de salida, etc. Toda la información relacionada con la implementación del diseño: carguío, eventuales dificultades, etc. Toda la información geológica, geoquímica (composición del mineral) e hidrológica. Información geomecánica relevante: dureza, UCS. Información geoestructural: frecuencia de fracturas, presencia de grietas. Operación: − Disponer un Procedimiento de Calibración Periódica de los camiones de explosivos. − Para el análisis y prevención permanente, a fin de permitir identificar o descartar posibles causas de los fenómenos observados y prevenirlas o reducirlas en el futuro, se debe diseñar las voladuras para cada situación específica. Para esto es necesario disponer y correlacionar la información geoquímica e hidrológica relevante del macizo rocoso y, sobre todo, es imperativo conciliar la información de voladura con la de los parámetros generales del macizo, y los explosivos de que se dispone. − Mantener un control adecuado de la presencia de agua: Las aguas dinámicas pueden causar deterioro físico del explosivo, provocando un desbalance de la mezcla. El agua muy fría (usualmente < 5 o 7 ° C), puede causar el enfriamiento de los gases de la detonación, aunque ésta haya ocurrido sin ninguna alteración. − Es recomendable usar un doble primado (booster de mayor tamaño, preferentemente) en taladros con agua en sectores considerados de riesgo de generación de humos anaranjados o rojos. − Verificar posible presencia de piritas u otros minerales sulfurados en las zonas de las voladuras con humos anaranjados. Tener presente que los terrenos de más alto riesgo de reactividad corresponden a zonas húmedas (no las totalmente secas o las con mucha agua), con especial atención en −
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las zonas que antes estuvieron saturadas: verificar si las zonas identificadas como “secas” lo son realmente, y que no corresponden a aquéllas con poca agua medida o que tienen humedad remanente porque estuvieron previamente saturadas y bajó el nivel freático. Perforar las zonas de riesgo con la menor anticipación posible, para minimizar la oxidación aeróbica natural de las piritas. Mantener el explosivo en los taladros el menor tiempo posible en situaciones definidas como de riesgo, realizando la voladura en el menor plazo posible, de preferencia en el mismo turno del carguío, si hay un alto contenido de pirita. En zonas de alto riesgo es recomendable analizar el uso de explosivos especiales; todos los principales fabricantes de explosivos en el mundo tienen tecnología para estas aplicaciones. Su costo adicional es muy inferior a cualquier daño potencial a las personas o pérdida de producción. En el evento de no disponer de éstos, el uso de mangas protectoras para evitar el contacto del explosivo y la roca puede ser de gran ayuda, aunque no neutralizan el posible enfriamiento de los gases post-voladura. Si hay gran cantidad de agua, especialmente si es ácida o muy fría, usar explosivo de alta temperatura de reacción (sensibilizado mediante microesferas o gasificación química); Si hay alto contenido de pirita en terreno húmedo, y por razones operacionales el explosivo debe reposar más de un día en los pozos, usar explosivo con aditivos inhibidores de la reacción con piritas. Si se usa aceites lubricantes reciclados, establecer sus especificaciones e implantar un sistema de control de calidad, manteniendo las instalaciones de almacenamiento en condiciones óptimas. Evitar aceites que contengan antiespumantes si se usa Anfos Pesados, pues pueden dañar la emulsión. Tomar precauciones adecuadas para el almacenamiento de nitrato de amonio, manteniéndolo adecuadamente cubierto. Cabe hacer notar que, si bien los envases son dobles y de costuras reforzadas, no son totalmente herméticos, lo que hace que pueda haber penetración de aguas lluvias el estar directamente a la intemperie. o
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Conclusiones / Recomendaciones La generación de óxidos de nitrógeno (humos anaranjados o rojos) es un fenómeno cuyas causas pueden ser operacionales o asociadas a las condiciones propias del terreno. Es básico disponer un procedimiento de calibración periódica de los camiones de explosivos, pero es tanto o más importante conocer oportunamente los parámetros geoquímicos del macizo: composición química de los minerales presentes, presencia de pirita u otros minerales sulfurados, acidez del agua, temperatura del agua. Es importante mantener registros de toda la información asociada a la gestión de voladuras, no sólo para efectos del tema de este trabajo. Hay que tener presente que todo lo que se haga o deje de hacer en esta etapa inicial del proceso minero tendrá un alto impacto en todas las demás etapas aguas abajo, con factores de apalancamiento generalmente altos. Para el caso particular de prevenir la generación de humos tóxicos generados por la voladura, es necesario un trabajo de investigación permanente, lo que permitirá que este tipo de situaciones se mantenga bajo control en tanto sea posible hacer una buena conciliación de la información relevante. El principal riesgo es el desconocimiento de la geoquímica del macizo: es imprescindible conocer la composición química del mineral. La falta de tecnología de explosivos adecuada es un riesgo a evaluar, pero fácil de resolver. Es recomendable implantar un Plan de Acción concreto, conformando un equipo de trabajo con profesionales de las diferentes áreas de la Mina. Es posible prever la probable necesidad de utilización de explosivos sensibilizados, ya sea mediante microesferas sólidas o mediante gasificación química.
ANEXO: Óxidos de Nitrógeno más Comunesxii 1 NOx NOx es un término genérico que hace referencia a un grupo de gases muy reactivos, principalmente óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2), que contienen nitrógeno y oxígeno en diversas proporciones. Los óxidos de nitrógeno se forman cuando se quema combustible, siendo las principales fuentes de NOx los automóviles, las centrales eléctricas calderas industriales y la calefacción doméstica. En la atmósfera, los óxidos de nitrógeno pueden contribuir a la formación de ozono fotoquímico (smog o niebla contaminante) y tener consecuencias para la salud. También contribuye al calentamiento global y puede provocar lluvia ácida. Muchos de los óxidos de nitrógeno son incoloros e inodoros, sin embargo el dióxido de nitrógeno (NO2) es de color marrón-amarillento; forma en el aire junto a las partículas en suspensión una capa entre rojiza y marrón que cubre muchas zonas urbanas.
2 NO Óxido nítrico: gas incoloro; es el compuesto de nitrógeno que con mayor frecuencia se emite directamente a la atmósfera. En el aire ambiente exterior, el óxido nítrico (NO) emitido por los automóviles se combina con el oxígeno presente en la atmósfera por la acción de la luz solar, produciendo dióxido de nitrógeno (NO 2) y otros NOx.
3 NO2 Dióxido de nitrógeno o peróxido de nitrógeno: gas de color rojizo – marrón. Es muy reactivo; se utiliza como un fuerte agente nitrurante u oxidante en procesos de síntesis orgánica. Se forma como subproducto en los procesos de combustión a altas temperaturas, como en los vehículos motorizados y las plantas eléctricas; es uno de los principales contaminantes entre los varios un contaminante frecuente en zonas urbanas.xiii
4 N2O Óxido nitroso: se nombra además como monóxido de nitrógeno, óxido de nitrógeno (I), óxido de dinitrógeno, protóxido de nitrógeno, anhídrido hiponitroso, y es más conocido como gas hilarante (gas de la risa). Se produce por la termólisis controlada del nitrato de amonio o por reacción de amoníaco con ácido nítrico. Es un gas incoloro con un olor dulce y ligeramente tóxico. Provoca alucinaciones, un estado eufórico y en algunos casos puede provocar pérdida de parte de la memoria; se utiliza en medicina como anestésico local. No es inflamable ni explosivo, pero soporta la combustión tan activamente como el oxígeno cuando está presente en concentraciones apropiadas de material inflamable. Por esta característica es utilizado en autos de competencia o convencionales modificados; a temperaturas superiores a
los 270 °C se descompone produciendo un aumento del oxígeno con el consecuente aumento controlado de potencia (sobrealimentación). Por esta misma razón se descompone rápidamente luego de la detonación de explosivos en base a nitrato de amonio mientras los gases están a alta temperatura.
5 N2O3 Trióxido de dinitrógeno o ditrióxido de nitrógeno: a baja temperaturas (-10 a +10 °C aprox.) es un líquido de color azul oscuro; en estado gaseoso es incoloro y de olor ligeramente irritante y a temperatura ambiente se descompone completamente a NO y NO 2. Altamente Oxidante. Peligro mayor: inhalación y contacto con la piel.
6 N2O4 Tetróxido de dinitrógeno: sólido blando bajo -11 °C; hasta algo más de 0 °C es un líquido amarrillo parduzco y a temperatura ambiente es un gas incoloro. Poco estable; se descompone rápidamente en NO2. Se utiliza como componente de combustibles de cohetes.
6 N2O5 Pentóxido de dinitrógeno o Peróxido de Dinitrógeno: gas incoloro. Muy inestable; se descompone rápidamente en NO 2 y O2. Puede nombrarse como “nitrato de nitronio”, pues en estado sólido está formado por iones nitronio (NO2+) y iones nitrato (NO3-).
BIBLIOGRAFÍA / DOCUMENTOS CITADOS i
Henley K., Bottomley L., Medusalec M., Mitigation and Management of Blast Generated Fume in Eastern Australia, ISEE Conference, Feb. 2012. ii Queensland Guidance Note QGN 20 v 3, Management of oxides of nitrogen in open cut blasting, Mining and Quarrying Safety and Health Act 1999, Queensland, Australia. Orlandi C., Control de Generación de Gases Tóxicos en Voladuras en Minas a Cielo Abierto, Jornadas de Tronadura ASIEX 2007. iv Henley K., Bottomley L., Medusalec M., Mitigation and Management of Blast Generated Fume in Eastern Australia, ISEE Conference, Feb. 2012. iii
Orlandi, C.P., Reactivity of Pyrite-bearing Ores with Ammonium Nitrate Explosives, Asia-Pacific Symposium on Blasting Technology, Kunming City, China, May 2007. v
Orlandi, C.P., Reactividad de Minerales Piritosos con Explosivos en Base a Nitrato de Amonio, Coloquio de Tronadura, Iquique, 2001. vi
Colcleugh, D., General Letter on Blasting Fumes, du Pont Explosives, March 1978. viii Granholm R.H., Elimination of Coloured Smoke in After Blast Fumes, 1998 DNI Conference, Salt Lake City, USA. vii
Chiapetta, F., Treleaven, T, Expansion of the Panama Canal Project , Seventh High-Tech Seminar on Blasting Techniques, Orlando, US, July 1997. ix
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