PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS EXPLOSIVOS Ing. Roberto Roque Pulcha 1
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS EXPLOSIVOS PARÁMETROS DEL EXPLOSIVO Los parámetros mas importantes que influyen en la fragmentación de rocas son; densidad, velocidad de detonación, volumen de gases, presión de detonación, energía disponible, entre otros.
PARÁMETROS DE LA CARGA Los parámetros de la carga, se refieren a la geometría de la voladura, diámetro del taladro, longitud de carga, atacado, desacoplamiento, tipo de iniciación, punto de iniciación, juegan también un papel importante en el proceso de fragmentación, eclipsando a veces a los parámetros pará metros del explosivo. 2
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS EXPLOSIVOS Para algunos explosivos, el diámetro de carga, grado de confinamiento y tipo de iniciación tienen influencia directa sobre los parámetros del explosivo.
TIPOS DE EXPLOSIVOS En términos generales se clasifican en químicos , especiales y nucleares.
QUÍMICA Y FÍSICA DE LOS EXPLOSIVOS Como se sabe el explosivo es una mezcla química de varios componentes que tienen una descomposición rápida cuando es iniciado por una energía en forma de calor, impacto, fricción o choque. Esta descomposición produce gases y gran cantidad de calor originando altas presiones dentro del taladro los que hacen el trabajo de fragmentación. Los principales ingredientes que reaccionan en un explosivo son combustibles y oxidantes, estos ingredientes están compuestos por oxigeno, nitrógeno, hidrogeno, carbono y también se añaden elementos metálicos como aluminio en algunos casos.
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PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS 1. VELOCIDAD DE DETONACIÓN 2. DENSIDAD 3. PRESIÓN DE DETONACIÓN 4. SENSIBILIDAD 5. HUMOS 6. POTENCIA/ENERGÍA 7. RESISTENCIA AL AGUA 8. TIEMPO DE ALMACENAMIENTO
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PROCESOS DE DETONACIÓN DE UNA CARGA EXPLOSIVA
1. VELOCIDAD DE DETONACIÓN (VOD) Es la velocidad es la onda de detonación que viaja a través de una columna de un explosivo en (m/s) o (pies/s).
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VELOCIDAD DE DETONACIÓN (VOD) TIPO DE EXPLOSIVO •
Rango de VOD es de 1600 m/s en explosivos permisibles y hasta los 7200 m/s en los boosters HDP.
DIÁMETRO DE CARGA EXPLOSIVA •
En general, cuanto mas grande es el diámetro, mas alta es la VOD.
•
Diámetro crítico, el mínimo diámetro en el que ocurre el proceso de detonación.
GRADO DE CONFINAMIENTO •
En general, cuanto mas alto es el grado de confinamiento, mas alto es la VOD.
EFECTO DE CEBADO •
Cebado inadecuado puede causar reacción lenta hasta alcanzar la VOD final o baja reacción (deflagración) <0,5 x presión de detonación 7
EFECTO DEL DIÁMETRO DE CARGA SOBRE LA VELOCIDAD DE DETONACIÓN
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2. DENSIDAD
Peso por unidad de volumen, expresado en (g/cm 3) que generalmente varia de 0.7 (ANFO) a 1.6 en booster HDP
Relacionado a la sensibilidad, VOD y diámetro crítico de carga.
Densidad crítica es cuando el explosivo no detona, la mayoría de componentes del explosivo tienen una máxima densidad sobre el que no detonará.
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3. PRESIÓN DE DETONACIÓN
Es un indiciador de la habilidad de un explosivo para fragmentar la roca. La misma esta dada por la presión inmediatamente por detrás del frente de detonación, en el llamado plano de Chapman-Jouget (C-J).
Se determina mediante los llamados ensayos de acuarios y en ciertas ocasiones mediante sensores de presión, ambos son de difícil implementación, razón por la cual se acostumbra aproximar su valor mediante la siguiente formula:
P d
VOD 10 4
Donde:
2
5
P d = presión de detonación (Kb)
= densidad inicial del explosivo (g/cm3) VOD= velocidad de detonación (m/s)
ρ
10
3. PRESIÓN DE DETONACIÓN Ejemplo; supongamos un típico ANFO de densidad 0.85 g/cm 3 y velocidad 5,500 m/s. La presión de detonación será:
P d
0.85 5500 10 4
2
5
64 Kb
Como se puede deducir de la fórmula anterior, los factores que influencian la VOD de un explosivo tendrán una mayor influencia en su presión de detonación debido a que la misma es una función cuadrática de la velocidad. Cabe aclarar que la presión de detonación, no es la misma que la presión ejercida por los gases producto de la reacción, comúnmente llamada presión de explosión.
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PRESIÓN DE EXPLOSIÓN Se refiere a la presión ejercida contra las paredes del taladro como consecuencia de la acción expansiva de los gases producto de la detonación del explosivo. Al igual que la presión de detonación, su valor depende de la densidad y la VOD del explosivo. Es costumbre aproximar su valor a la mitad del valor de la presión de detonación, es decir:
P g
P d 2
2
VOD 10 8
5
Donde: Pg = presión de gases (Kb) Pd = presión de detonación (Kb) ρ = densidad inicial del explosivo (g/cm3) VOD = velocidad de detonación (m/s)
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NOMOGRAMA PARA ENCONTRAR PRESIÓN DE DETONACIÓN (DICK-EXPLOSIVES & BLASTING PROCEDURES MANUAL)
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4. POTENCIA / ENERGÍA La energía liberada (Q) durante la detonación de un explosivo está dada por la diferencia entre el calor de formación de los ingredientes del explosivo, es decir:
Q = ΔH (productos - ingredientes) La energía puede expresarse en función del peso del explosivo o de su volumen, como así también en valores absolutos o relativos. Ello da lugar a cuatro posibilidades distintas, a saber: 14
4. POTENCIA / ENERGÍA POTENCIA ABSOLUTA POR PESO: (AWS) Es la cantidad de energía liberada (calorías) por unidad de peso de explosivo. Su valor se determina en ensayos bajo el agua o mediante modelos teóricos. Por ejemplo la AWS de un ANFO es de aproximadamente de 900 cal/g mientras que de una dinamita gelatinosa amoniacal es de 1100 cal/g.
POTENCIA ABSOLUTA POR VOLUMEN (ABS): Ella se refiere a la energía liberada por unidad de volumen de explosivo y se expresa en calorías por centímetro cúbico (cal/cm3).Se obtiene multiplicando la AWS por la densidad del explosivo. Por ejemplo, para un ANFO cuya densidad es de 0.85 g/cm3, la ABS estará dada por: ABS ( ANFO) 0.85 900 765 cal / cm3
Para el caso de la dinamita gelatinosa amoniacal cuya densidad es de 1.36 g/cm3, será:
ABS (din) 1.35 1100 1485 cal / cm3
Como se puede observar, la ABS es función de la densidad del explosivo, razón por la cuál su valor puede variar aún para un mismo explosivo. 15
4. POTENCIA / ENERGÍA POTENCIA RELATIVA POR PESO (RWS) Es la relación entre la potencia absoluta en peso (AWS) de un cierto explosivo a otro tomado como estandar o base, con el fin de poder comparar su performance. Para explosivos comerciales es común utilizar el ANFO como base de comparación, al cual se le asigna un valor energético arbitrario RWS = 100, es decir que 900 cal/g equivalen a 100 unidades de energía. Ejemplo: la potencia relativa de la dinamita gelatinosa amoniacal será: RWS din
AWS din 100 AWS ANFO
RWS din
1100 100 122 900
Lo que equivale a decir que la dinamita gelatinosa amoniacal tiene una potencia en peso, un 22% mayor que la del ANFO. 16
4. POTENCIA / ENERGÍA POTENCIA RELATIVA POR VOLUMEN (RBS): Se refiere a la energía liberada por unidad de volumen de un cierto explosivo comparada a un explosivo base. La misma se calcula como la relación entre las potencias absolutas en volumen (ABS) de un cierto explosivo y la del explosivo base a una determinada densidad. En general se toma como explosivo base el ANFO a una densidad de 0.85 g/cm 3. Por lo tanto, para el caso de la dinamita gelatinosa amoniacal de densidad de 1.35 g/cm3 tendremos:
RBS din
Lo cual es equivalente a:
AWS din AWS ANFO
RBS din
din 100 ANFO
ABS din
ABS ANFO
100
Por lo tanto la potencia relativa volumétrica de la dinamita amoniacal será: RBS din
1485 100 194 765
Es decir que la potencia volumétrica de la dinamita gelatinosa amoniacal es un 94% mayor que la del ANFO seleccionado como explosivo base. 17
RWS Y RBS RELATIVOS AL ANFO A 0.85 g/cm3 DENSIDAD
RWS
RBS
EPF
TPC
(g/cm3)
(Anfo=100)
(Anfo=1)
(100/rws)
(Rbs1/3)
ANFO
0.85
100
1.00
1.00
1.00
ANFO (carga neumática)
0.95
100
1.12
1.00
1.04
ANFO HD (alta densidad)
1.05
100
1.23
1.00
1.07
ANFO/AI (92 / 3/5)
0.87
112
1.15
0.89
1.05
ANFO/AI (87 / 3/10)
0.91
124
1.30
0.81
1.09
ANFO/AI (84 / 3/15)
0.94
134
1.48
0.75
1.14
Emulsión NCN(0% AI)
1.15
78
1.06
1.28
1.02
Emulsión NCN(5% AI)
1.18
91
1.26
1.10
1.08
Emulsión NCN(10% AI)
1.21
103
1.47
0.97
1.14
Emulsión NCN(15% AI)
1.25
117
1.72
0.85
1.20
EXPLOSIVO
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5. SENSIBILIDAD
Facilidad en que un explosivo puede ser inducido a reaccionar químicamente.
Sensibilidad al detonador común, el producto detonará con un detonador con 450 mg de PETN.
Sensibilidad por simpatía permitirá detonar al producto aun si encuentra vacíos en la columna explosiva.
Detonación por simpatía de taladro a taladro puede la onda de choque de un taladro anterior iniciar al otro.
Pruebas necesarias. •
Impacto
•
Fricción
•
Choque 19
6. HUMOS •
•
•
Clasificación de humos: Toxicidad (Explosivo que debe tener por debajo de la clasificación del IME. La detonación de explosivos comerciales produce generalmente CO2, N, H20 (vapor), sin embargo, CO y NOX pueden estar presentes Factores que incrementan la producción de CO y NOX •
Formulación pobre del producto.
•
Cebado inadecuado.
•
Resistencia al agua insuficiente.
•
Falta de confinamiento.
•
Reacción incompleta del producto. 20
HUMOS
CLASIFICACIÓN IME CLASE DE HUMOS
Pies3 de gas venenoso. Por 200g de explosivo.
1
Menos de 0.16
2
0.16 a 0.33
3
0.33 a 0.67
21
