CONCEPTOS BASICOS SOBRE VOLADURAS
B.1. Introducción
TEMA 1. GENERALIDADES Y DEFINICIONES.
Características físicas de los explosivos.
Explosivo: composición o mezcla de dos sustancias, una explosiva y otra no-explosiva. Son dos sustancias, una oxidante, y otra reductora.
Cuando un cartucho explota los gases son aproximadamente 10.000 veces el volumen inicial del cartucho.
Para que haga el mejor efecto procuraremos que esté el cartucho lo más encerrado posible.
Para hacer una voladura barrenaremos el terreno, a continuación llenamos el barreno con explosivo, y el espacio que quede del barreno sin rellenar se retaca, es decir, tapar el agujero lo mejor posible, lo que permitirá una voladura mucho más efectiva. En caso de no realizar este retacado, la voladura “pegará bocazo”, es decir, los gases producidos en la reacción se escaparán por la parte superior del agujero abierto, con lo cual perderemos mucha efectividad en la voladura.
Características generales de los explosivos.
Las características básicas de un explosivo y que nos van a ayudar a elegir el explosivo más idóneo para un fin determinado son las siguientes:
1.- Estabilidad química.
2.- Sensibilidad.
3.- Velocidad de detonación.
4.- Potencia explosiva.
5.- densidad de encartuchado.
6.- Resistencia al agua.
7.- Humos.
1.- Estabilidad química.
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.
2.- Sensibilidad.
Se define la sensibilidad de un explosivo como la mayor o menor facilidad que tiene un explosivo para ser detonado. Se dice por lo tanto que un explosivo es muy sensible cuando detona sin dificultades al detonador y a la onda explosiva que se produzca en sus cercanías. Un explosivo insensible es todo lo contrario.
Los explosivos sensibles aseguran pocos fallos en los barrenos. Los insensibles por lo contrario provocarán más barrenos fallidos. En este sentido son mejores los explosivos sensibles. Ahora bien, están más cercanos a producirse una explosión fortuita que los explosivos insensibles en los que la probabilidad de accidente es prácticamente nula. En este sentido los insensibles son más seguros que los sensibles.
Existe otro concepto de sensibilidad debido a experimentos realizados en los laboratorios, donde se realizan la sensibilidad al detonador, sensibilidad a la onda explosiva, sensibilidad al choque y sensibilidad al rozamiento. De estas las dos primeras son deseadas, mientras que las dos últimas son sensibilidades indeseadas.
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Sensibilidad al detonador. Todos los explosivos industriales precisan para su iniciación como norma general de la detonación de otro explosivo de mayor potencia. Este explosivo puede ir colocado dentro de un detonador, de un cordón detonante o de un multiplicador, según el procedimiento que sigamos para la iniciación de la explosión. Si algún explosivo no fuera sensible al detonador, entonces los multiplicadores salvarían esta pega, aunque el 99% de los explosivos que actualmente se fabrican son sensibles al detonador.
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Sensibilidad a la onda explosiva. Se basa en determinar la máxima distancia a que un cartucho cebado trasmite la detonación a otro cartucho receptor. Colocamos cartuchos en línea y ambos a continuación del otro, separados una determinada distancia d. Pero lo que sucede en realidad es que al cargar los barrenos entre cartucho y cartucho pueden haber materias inertes que siempre dificultan la propagación y a veces llegan a anularla. Por esta razón la norma indica que “ la carga cuando se trate de explosivos encartuchados estará constituida por una fila de cartuchos en perfecto contacto unos con otros.”
Cartucho cebado: Cartucho con detonador. (Es el cartucho madre).
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Sensibilidad al choque. Los diferentes tipos de explosivos industriales pueden ser o no sensibles al choque, lo cual no quiere decir otra cosa que en algunos explosivos se puede producir su iniciación por un fuerte impacto. La forma de determinar la sensibilidad al choque se hace mediante una maza que se coloca a una determinada altura con una masa definida, se mide la altura hasta que el explosivo explota.
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Sensibilidad al roce. Al igual que con la sensibilidad al choque existen algunos explosivos que son sensibles al rozamiento. Es por esto que existe un ensayo normalizado que nos indica si un explosivo es sensible o no al rozamiento, y en caso de serlo en que grado lo es. Este ensayo se realiza con una máquina provista de un objeto cuyo coeficiente de rozamiento conocemos. La sensibilidad se conoce pasándolo por la longitud de todo el explosivo cada vez con mayor intensidad hasta que el explosivo explote.
3.- Velocidad de detonación.
V = velocidad buscada.
v = Velocidad de mecha. (Conocida).
t = BC + CE = BE (1)
V v v
BC = BE - CE V = BC . v (2)
V v BC - CE
La velocidad de detonación es la característica más importante del explosivo. Cuanto más grande sea la velocidad de detonación del explosivo, tanto mayor es su potencia.
Se entiende por detonación de un explosivo a la transformación casi instantánea de la materia sólida que lo compone en gases. Esta transformación se hace a elevadísimas temperaturas con un gran desprendimiento de gases, casi 10.000 veces su volumen.
Sea un cartucho de un determinado explosivo M del cual queremos hallar su velocidad de detonación V. Si le introducimos un detonador en el interior y a su vez le practicamos dos orificios B y C de los que salen una mecha patrón cuya velocidad de detonación es conocida, v, y colocamos una placa de plomo, como indica la figura, tendremos lo siguiente.
Al explotar el detonador explota todo el cartucho, pero lo hace antes en B que en C, ¿por qué?. Porque está más cerca del detonador.
Por lo tanto las ondas no se encuentran en el punto medio D, sino en otro punto E (visible en la placa por ser de plomo la placa).
El tiempo empleado en seguir un camino o el otro es el mismo, por lo tanto se cumple (1), y operando llegamos a (2) que nos determina la velocidad de detonación V de un explosivo.
Para algunos trabajos interesan explosivos lentos, de poca potencia. (En canteras de roca ornamental). Si queremos grandes producciones (sobre todo estéril), usaremos explosivos de baja velocidad de detonación, de poca potencia.
4.- Potencia explosiva.
La potencia puede definirse como la capacidad de un explosivo para fragmentar y proyectar la roca.
Depende por un lado de la composición del explosivo, pese a que siempre es posible mejorar la potencia con una adecuada técnica de voladura.
Para la medida de la potencia de un explosivo existen en el laboratorio diferentes técnicas de las cuales es la más empleada la del péndulo balístico. Por este procedimiento se mide la potencia de un explosivo en porcentaje en relación con la goma pura, a la que se le asigna por convenio la potencia del 100 %.
5.- Densidad de encartuchado.
La densidad de encartuchado es también una característica importante de los explosivos, que depende en gran parte de la granulometría de los componentes sólidos, y tipo de materias primas empleadas en su fabricación. El usuario en este caso nada tiene que hacer.
Al ser fundamental que los fondos de los barrenos estén completamente llenos de explosivos, si estos tuvieran densidad menor de uno y los barrenos tuvieran agua física, los cartuchos flotarían siendo imposible la carga del barreno. Utilizar en este caso explosivos de densidad inferior a uno sería un gravísimo error.
6.- Resistencia al agua.
Se pueden diferenciar tres conceptos:
1.- Resistencia al contacto con el agua.
2.- Resistencia a la humedad.
3.- Resistencia al agua bajo presión de la misma.
Se entiende por resistencia al agua o resistencia al contacto con el agua a aquella característica por la cual un explosivo sin necesidad de envuelta especial mantiene sus propiedades de uso inalterables un tiempo mayor o menor, lo cual permite que sea utilizado en barrenos con agua.
Si un terreno contiene agua emplearemos gomas, riogeles, etc., cuyo comportamiento al agua es excelente. Nunca se deben emplear explosivos polvurolentos (Anfos) en contacto directo con el agua. Ahora bien, si el agua la agotamos con la carga de fondo, podremos emplear en la carga de columna explosivos polvurolentos. En cualquier caso los explosivos polvurolentos se comportan muy bien en barrenos sumamente húmedos si el contacto con el agua no es mucho. Es aconsejable en estos casos hacer la mitad de barrenos para cargarlos rápidamente y efectuar la pega.
En referencia al tercer punto, nos referimos no solo a que el explosivo soporte el contacto con el agua, sino que además aguante altas presiones debidas a las grandes profundidades. Los explosivos utilizados en este caso contienen como aditivos metales pesados, que les confieren características muy especiales, como es el caso de la goma GV submarina.
7.- Humos.
Se designa como humos al conjunto de los productos resultantes de una explosión, entre los que se encuentran gases, vapor de agua, polvo en suspensión , etc. Estos humos contienen gases nocivos como el óxido de carbono, vapores nitrosos, etc., y si bien su presencia no tiene importancia en voladuras a cielo abierto, si la tiene en voladuras en minas subterráneas y sobre todo si se realizan en lugares con poca ventilación. En este caso pueden ocasionar molestias e intoxicaciones muy graves a las personas que vayan a inspeccionar la voladura.
Para los trabajos subterráneos la composición del explosivo debe tener una proporción suficiente de O2 capaz de asegurar la combustión completa.
Sensibilidad y diámetro crítico.
Sensibilidad: Puede definirse como la facilidad relativa del mismo para detonar.
Esto presenta una paradoja para los técnicos en explosivos, pues por un lado una elevada sensibilidad supone una clara ventaja de cara al funcionamiento del explosivo, pero a su vez puede suponer una gran desventaja en cuanto al riesgo de detonar bajo cualquier estímulo accidental. Así pues, vemos que existen dos conceptos distintos dentro del término genérico de sensibilidad; el primero relacionado con la mayor o menor facilidad para que un explosivo detone cuando se desea, que denominaremos sensibilidad deseada, mientras que el segundo se refiere a la mayor o menor propensión a que un explosivo detone bajo cualquier estímulo accidental, que denominaremos sensibilidad indeseada.
Este último concepto, inédito hasta ahora en ala tecnología de los explosivos, puede cuantificarse en algunos casos como el mínimo estímulo accidental necesario para que se produzca una explosión. En otras palabras, podemos afirmar que una alta sensibilidad indeseada trae consigo una elevada susceptibilidad a la detonación accidental, mientras que una baja sensibilidad indeseada equivale a una baja propensión a la iniciación fortuita, bajo el estímulo de cualquier fuente de energía distinta de la normalmente empleada.
Siempre existe un solapamiento entre ambas sensibilidades, por lo que en general una alta sensibilidad deseada implica una elevada sensibilidad indeseada y viceversa.
Esta tendencia está muy acentuada en los explosivos convencionales, en los que se parte de un producto altamente sensible a todo tipo de estímulos, al que se le insensibiliza con una serie de productos.
Entre los explosivos más comúnmente empleados, las dinamitas son los de mayor sensibilidad, por llevar en su composición nitroglicerina. Todas ellas se inician fácilmente con detonadores ordinarios y desde luego con cordón detonante de 12 gr / ml. Los hidrogeles son mucho más insensibles, no llevan nitroglicerina y requieren unos iniciadores más potentes, aunque también todos detonan con detonadores ordinarios y cordones detonantes de 12 gramos para arriba. Estos explosivos evitan todo riego de explosión debido a roces violentos o grandes presiones, como por ejemplo ser pisados por las orugas de un tractor o una excavadora.
Diámetro crítico: Cualquier explosivo en forma cilíndrica tiene un diámetro por debajo del cual no se propaga la velocidad de detonación.
Para explosivos nitrados, como el NO3 NH4, puede alcanzar valores hasta de 10 pulgadas, pudiendo ser insignificante tanto para la pentrita como para el nitruro de plomo, que son los que se utilizan en los cordones detonantes y detonadores.
Es necesario decir que en el diámetro crítico influye la densidad y el confinamiento de los explosivos en los barrenos.
TEMA 2. COMBUSTIÓN COMPLETA EN LAS REACCIONES EXPLOSIVAS.
Combustión completa en las reacciones explosivas.
NOTA. Cae siempre en examen, sobre todo los ejercicios.
No es fácil estudiar detalladamente la influencia del oxígeno en las características del explosivo; sin embargo es necesario procurar que si se van a utilizar en minería subterránea no se forme el temido CO (monóxido de carbono), porque este gas se fija en la sangre dando lugar a un compuesto llamado Carboxihemoglobina, que paraliza las funciones vitales sin que la agonía se advierta. Además este gas no es fácilmente detectable ya que es incoloro, inodoro e insípido.
Para lograr este objetivo, el oxígeno debe de estar en la proporción necesaria para que la combustión sea completa, dando así lugar a que todos los átomos de carbono se oxiden completamente dando CO2. Todos los átomos de hidrógeno que se formen deben dar lugar a moléculas de H2O, pudiendo estar también presentes moléculas de nitrógeno, así como moléculas de oxígeno O2.
(x + y) H2O + CO2 + N2 + ...........
EJERCICIOS PRÁCTICOS.
1.- Calcular el coeficiente m de la nitroglicerina en una gelamonita preparada con nitrocelulosa, así como la composición centesimal de esta mezcla explosiva para que se verifique una combustión completa.
Nitrocelulosa: C24 H32 ( O NO2 )8 O12. Pm: 1008.
Nitroglicerina: C3 H5 ( O NO2 )2. Pm: 227.
2.- Calcular la composición centesimal de un explosivo compuesto por 3 moles de TNT y ( NH4 ) NO3 para que se verifique una combustión completa.
TNT: C6 H2 ( NO2)3.
N.A: NO3 NH4.
3.- Se dispone de dos explosivos: cheditta y tetralita. Calcular el porcentaje de cada uno de ellos para que en su mezcla se verifique una combustión completa.
Cheditta: Cl O4 NH4.
Tetralita: C6 H2 ( NO2)3 N CH3.
Balance de oxígeno.
Se usa para conocer el porcentaje de oxígeno que le sobra a un elemento, o el porcentaje que le falta de oxígeno.
1.- Determinar el balance de oxígeno de la tretalita, cuya reacción explosiva es.
2 C6 H2 ( NO3 )4 N CH3 ----------- CO2 + 13 CO + H2O + 4 H2 + 5 N2
2.- Calcular el balance de oxígeno de la nitroglicerina, cuya reacción explosiva es:
C3 H5 ( NO3 ) ----------- 3 CO2 + 5 / 2 H2O + 3 / 2 N2 + 1 / 4 O2
3.- Calcular el balance de oxígeno de la pentrita, cuya reacción explosiva es:
C3 H5 ( NO3)3 --------- 3 CO2 + 5 / 2 H2O + 3 / 2 N2 + 1 / 4 O2
TEMA 3.- EXPLOSIVOS COMERCIALES.
Generalidades.
Una vez vistas las propiedades generales de los explosivos, ha llegado el momento de ver las distintas clases de explosivos que nos ofrece el mercado, para elegir el adecuado en cada aplicación. Dividiremos los explosivos comerciales en dos grandes grupos.
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Explosivos con nitroglicerina. Son sin duda los más potentes de los dos. Esta cualidad no es siempre la mejor, ya que en ocasiones se prefieren explosivos menos potentes, con el fin de conseguir una granulometría grande. Son explosivos más delicados, necesitan mejores condiciones de almacenamiento.
Dinamitas.
Se entiende como tales aquellas mezclas sensibles al detonador entre cuyos ingredientes figura la nitroglicerina. Su número y clase es extremadamente variado según países y marcas, variando también sus componentes adicionales, siendo los principales componentes los siguientes:
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Explosivo base: nitroglicerina.
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Explosivos complementarios: trilita, nitrobenceno, etc.
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Aditivos generadores de oxígeno: nitrato amónico, nitrato sódico, nitrato potásico, así como cloratos y percloratos.
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Sustancias que aumentan la potencia: aluminio, silicio y magnesio.
Clases de dinamitas.
1.- GOMAS.
Están constituidas fundamentalmente por nitroglicerina y nitrocelulosa, pudiendo llevar en su composición los elementos anteriormente dichos.
Sus principales ventajas son su consistencia plástica, una gran densidad, magnífico comportamiento al agua y una gran potencia, siendo la goma pura el más potente de los explosivos comerciales.
Estos explosivos han sido sustituidos por las denominadas gomas especiales debido precisamente a su elevada sensibilidad unida a su alto precio.
2.- GOMAS ESPECIALES.
Incorporan como agente oxidante el nitrato amónico, que no siendo un explosivo base, contribuye a la energía de la explosión, al mismo tiempo que actúa como oxidante, para obtener un balance de oxígeno adecuado. Esto permite obtener un explosivo de potencia algo menor que las anteriores gomas, con menores proporciones en nitroglicerina.
Ya no son tan excesivamente sensibles y además nos ofrecen un menor costo por unidad de potencia. Conservan su plasticidad, tienen un comportamiento algo peor al agua, pero excelente de todas maneras, pero son los más adecuados para la mayoría de los trabajos que se presentan en la práctica, pudiéndose utilizar en barrenos llenos de agua.
Su aplicación fundamentalmente es como carga de fondo de barrenos de mediano y gran diámetro, y para la voladura de rocas de consistencia de dura a muy dura, utilizándose como carga de columna nagolita.
Para diámetros por debajo de dos pulgadas suele utilizarse como carga única del barreno porque al ser 2 pulgadas el diámetro crítico de las nagolitas, su utilización es imposible.
Agente explosivo de baja densidad: anfo, nafo, nagolitas.
Se conocen con el nombre de explosivos polvurolentos, siendo conocidos en España como nagolitas. Empezaron a emplearse en al década de los setenta, llegando su consumo a ser el 75% de los explosivos utilizados en le mundo. Es un explosivo con unas características individuales muy malas, (hidroscópico, poco potente, mala conservación, ....), sin embargo su precio lo hace el más utilizado hoy en día en minas a cielo abierto.
Se trate de principalmente de una mezcla de nitrato amónico más fuel - oil.
Características más importantes de los anfos.
Se descubrió sobre el 1950 después de una desastrosa explosión que tuvo lugar en una fábrica de nitrato amónico en EE.UU. Aparte de otras consecuencias, este hecho centró la atención de los fabricantes en el potencial demostrado por el nitrato amónico, y a partir de los años 60 se empezó a utilizar con éxito el nitrato amónico sensibilizado con fuel-oil.
Así surgieron los anfos, que por su potencia relativamente elevada, facilidad de manipulación y sobre todo por su bajo precio, ganó con rapidez la supremacía en la mayoría de las canteras y minas a cielo abierto existentes.
Características intrínsecas y extrínsecas.
Se llaman intrínsecas aquellas en las que el operario no puede actuar. Las más importantes son:
Tamaño y tipo de grano.
Contenido en fuel-oil.
Contenido de agua.
Sensibilidad.
Factores externos son aquellos en los que el usuario tiene mucho en que actuar.
Densidad de la carga.
Diámetro del barreno.
Iniciadores.
Características Intrínsecas.
TAMAÑO Y TIPO DE GRANO.
Tienen forma de granos, parecidos a los granos de arroz, son porosos, rellenos de aire, ya que así tienen una mayor velocidad de liberación de la energía. La porosidad óptima parece estar próxima a 0´07 cm³ /gr
CONTENIDO EN FUEL- OIL.
La influencia del fuel-oil incorporado a la mezcla de nitrato amónico, en proporciones variables viene reflejada en la figura. La máxima velocidad de detonación se alcanza para un contenido en fuel-oil de 5´5 %; igualmente para esta proporción se alcanza el equilibrio en oxígeno.
En la zona (1), al disminuir el porcentaje en fuel-oil, significa que aumenta el porcentaje en nitrato, y como este es un dador de oxígeno, la zona (1) presenta un claro exceso en oxígeno. En esta zona se ve que la velocidad de detonación disminuye muy rápidamente, a la vez que el descenso en porcentaje en fuel-oil.
En la zona (2), donde ya la proporción en nitrato amónico es más pequeña, hay un defecto de oxígeno, y si bien la velocidad de detonación también disminuye, lo hace de forma más suave que en la zona (1).
CONTENIDO DE AGUA.
En la figura se muestra la influencia del agua sobre la velocidad de detonación de las nagolitas. Es de sobra conocida la propiedad del nitrato amónico de ser muy hidroscópico (absorbe la humedad). Con porcentajes de contenidos en agua inferiores al 9% la velocidad va disminuyendo, pero conservando siempre velocidades mayores a los 2000 m. Con humedades superiores al 9% no se deben utilizar nagolitas a granel; En este caso habría que encargar nagolitas envueltas en plástico para retrasar dicha absorción de agua.
SENSIBILIDAD.
Se entiende por sensibilidad la mayor o menor facilidad que tiene un explosivo para ser detonado.
Los anfos son unos explosivos de detonación “ no ideal ”, es decir, son muy insensibles, cualidad esta que es útil para evitar accidentes, pero puede provocar el fallo en el barreno.
En la mayoría de los casos se usan como carga de columna, siendo la carga de fondo las gomas, encargándose estas de la correcta explosión de toda la carga.
En ocasiones la nagolita se puede utilizar sola en grandes diámetros de sondeo, mayores siempre de 7 pulgadas. En este caso conviene aumentar l sensibilidad, consiguiéndose esto con el aumento de la densidad en el interior del barreno, prensando la nagolita con la tacadera, con cuidado en pasarnos, ya que la nagolita podría sufrir fallos, debiendo procurar que la densidad no sobrepase del 0´95 - 0´96 %.
Factores externos.
B.2. Explosivos y sus propiedades
B.2.1. Reseña Historica
La sustancia mas antigua utilizada como explosivo es la polvora negra que consiste en una
mezcla formada por 75% de nitrato de potasio, 10% de carbon y 15% de azufre. Esta
sustancia fue presumiblemente desarrollada por los chinos y en un comienzo era utilizada
exclusivamente en exhibiciones pirotecnicas relacionadas con sus celebraciones.
Es probable que la polvora se introdujera en Europa procedente del Oriente Proximo; la
primera referencia detallada del proceso de fabricacion de este explosivo en Europa data del
siglo XII en escritos del monje Roger Bacon. Hacia el siglo XIV gracias al monje aleman
Berthold Schwarz, este producto fue utilizado en actividades militares. Europa fue el lugar
donde este material se utilizo por primera vez con fines ben´eficos en las areas de la
construccion y la minerıa.
Un posterior desarrollo substituye el nitrato de potasio por clorato de potasio, y luego por
nitrato de sodio, estos cambio resultaron en un explosivo mucho m´as potente. La polvora
puede fabricarse solamente con carb´on y azufre, pero como es un explosivo combustible
necesita oxıgeno, por lo que para estallar en un barreno necesita una tercera substancia
100
(clorato de potasio, Nitrato de sodio o el nitrato de potasio) que con el calor se descomponga
desprendiendo oxıgeno.
La nitroglicerina fue descubierta hacia el a˜no 1840 por el qu´ımico italiano Ascani Sobrero.
Este explosivo (compuesto de glicerol, ´acido nıtrico y sulfurico) resulto ser muy potente
pero a la vez muy sensible a la presion y temperatura, lo que lo hace muy peligroso; unos
anos despues de este descubrimiento, el quımico Sueco Alfred Novel resolvio el problema de
sensibilidad de la nitroglicerina al mezclar esta con una substancia inerte que puede ser una
tierra dictomacea, a esta nueva sustancia se le llama dinamita nitroglicerina.
Durante los ´ultimos 60 anos el Nitrato de Amonio ha desempe˜nado un papel cada vez m´as
importante en los explosivos. Se uso primeramente como ingrediente de la dinamita y, hace
aproximadamente un cuarto de siglo, comenz´o a emplearse en una sencilla y econ´omica
mezcla con el Diesel que ha constituido una revoluci´on en la industria de los explosivos y
que, hoy dıa, cubre aproximadamente el 80% de las necesidades de los explosivos (Favela,
2001).
En los ´ultimos 20 anos se han desarrollado explosivos de geles de agua con base de nitrato
de amonio. Estos explosivos contienen sensibilizadores, tales como los nitratos de amina,
el
TNT y el aluminio, ası como agentes de gelificaci´on y otros materiales, con el fin de alcanzar un grado de sensibilidad deseado.
Actualmente los explosivos se utilizan extensivamente en todo el mundo en canteras a cielo
abierto, como el caso de la mina La Calera, minas en subterr´aneas y canteras de materiales.
Los explosivos tambien se utilizan en diversas obras civiles como en la construccion de
presas, sistemas de conducci´on el´ectrica, gasoductos, oleoductos, sistemas de drenaje, vias,
canales, tuneles, compactacion de suelos y muchas otras aplicaciones.
B.2.2. Propiedades de los explosivos
Cada tipo de explosivo tiene caracterısticas propias definidas por sus propiedades, para el
mismo tipo de explosivo las caracterısticas pueden variar dependiendo del fabricante; el
conocimiento de tales propiedades es un factor importante en el dise˜no de voladuras. Las
propiedades mas importantes de los explosivos son: fuerza, densidad de empaque, velocidad
de detonacion, sensibilidad, resistencia al agua, emanaciones e inflamabilidad, estas se
trataran a continuacion.
B.2.2.1. Fuerza
La fuerza en un termino tradicionalmente usado para describir varios grados de explosivos, aunque no es una medida real de la capacidad de estos de realizar
trabajo; a este termino en ocasiones se le llama potencia y se origina de los primeros metodos
para clasificar dinamitas (OCE, 1972; USACE, 1989; Favela, 2001).
101
La fuerza es generalmente expresada como un porcentaje que relaciona el explosivo estudiado
con un explosivo patron (nitroglicerina). El porcentaje puede ser expresado de dos
formas: 1) comparando los pesos del explosivo analizado y el patron (“Fuerza por peso”),
2) comparando los explosivos con un volumen base y que comunmente es un cartucho de
explosivo (“Fuerza por cartucho”).
Un ejemplo de como se comparan explosivos en fuerza por peso es: 1 kg de dinamita extra
con 40% de fuerza por peso es equivalente a 1 kg de gelatina amoniacal (En Colombia
Indugel) con 40% de fuerza por peso; la diferencia entre estas dos esta en su diferente
velocidad de detonaci´on. Una comparacion cerrada es suponer que un explosivo de 50%
en fuerza por peso es dos veces mas fuerte que uno de 25% o cinco veces uno de 10 %,
estas relaciones no son correctas debido principalmente a que los explosivos de mayor fuerza
ocupan casi el mismo espacio en el barreno, pero producen m´as gases y por lo tanto las
presiones son mayores y el explosivo resulta mas eficiente (Favela, 2001).
El termino fuerza fue aplicado cuando las dinamitas eran una mezcla de nitroglicerina y
un relleno inerte (normalmente diatomita o tambi´en llamada tierra dictomacea), entonces
una dinamita al 60% contenıa 60% de nitroglicerina por peso de dinamita y era tres veces
mas fuerte que una dinamita de 20 %. Las dinamitas nuevas contienen rellenos activos tales
como el nitrato de sodio, esto hace que ellas sean hasta 1,5 veces mas potentes que las
antiguas.
Usualmente en las dinamitas se trabaja con la fuerza por peso, mientras que las gelatinas
con la fuerza por cartucho. La fuerza no es una buena base para comparar explosivos, un
mejor indicador que permite comparar explosivos es la presi´on de detonacion (Dick, 1968)
B.2.2.2. Velocidad de detonacion
Es la velocidad con la cual la onda de detonacion viaja por el explosivo, puede ser expresada para el caso de explosivos confinados como no
confinados; por si misma es la propiedad m´as importante cuando se desea clasificar un
explosivo. Como en la mayorıa de casos el explosivo esta confinado en un barreno, el valor
de velocidad de detonacion confinada es el mas importante.
La velocidad de detonacion de un explosivo depende de: La densidad, de sus componentes,
del tama˜no de las part´ıculas y del grado de confinamiento. Al disminuir el tamano de
las part´ıculas dentro del explosivo, incrementar el diametro de la carga o incrementar el
confinamiento aumentan las velocidades de detonaci´on (ver Figura B.1) Las velocidades
de los explosivos inconfinados son generalmente del orden del 70% al 80% respecto a las
velocidades de explosivos confinados.
La velocidad de detonacion en un medio confinado para explosivos comerciales varia entre
1800 a 8000 m/s (USACE, 1989; OCE, 1972; Persson et al., 1994). La velocidad para
algunos explosivos y agentes explosivos es sensible a cambios en el di´ametro del cartucho y
del barreno; cuando el diametro se reduce, la velocidad se reduce hasta alcanzar un diametro
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Figura B.1. Propiedades relativas de los explosivos comerciales
Adaptado de Dick (1968)
critico en que no hay propagacion de la onda de detonacion y por lo tanto no hay explosion.
B.2.2.3. Densidad y gravedad especifica
La densidad del explosivo es usualmente indicada en terminos de gravedad especifica, la gravedad especifica de explosivos comerciales
varia de 0.6 a 1.7. Los explosivos densos usualmente generan mayores velocidades de
detonaci´on y mayor presion; estos suelen ser utilizados cuando es necesaria una fina fragmentaci
´on de la roca. Los explosivos de baja densidad producen una fragmentacion no tan
fina y son usados cuando la roca esta diaclasada o en canteras en las que se extrae material
grueso.
La densidad de los explosivos es importante en condiciones de alta humedad, ya que una
densidad alta hace que el explosivo sea poco permeable. Un explosivo con gravedad especifica
menor a 1.0 no se entrapa en agua.
B.2.2.4. Presion de detonacion
La presion de detonacion, depende de la velocidad de detonacion y de la densidad del explosivo, y es la sobrepresi´on del explosivo al paso de las
ondas de detonacion. La amplitud del la onda –de esfuerzo– transmitida al medio (roca) en
una explosi´on esta relacionada con la presi´on de detonaci´on. La reflexion del pulso de choque
en la cara libre de la voladura es uno de los mecanismos que se utilizan para triturar la roca.
La presi´on de detonaci´on generalmente es una de las variables utilizadas en la seleccion del
tipo de explosivo.
Existe una relacion directa entre la velocidad de detonaci´on y la presion de detonaci´on; esto
es, cuando aumenta la velocidad aumenta la presi´on. La relacion entre la presion, velocidad
103
de detonacion y densidad del explosivo se puede representar de la forma
P
= 4, 18 × 10−7 DC2 1 + 0
,80D (B.1) (Brown, 1956), donde
P es la presion de detonaci´on y sus dimensiones son en kbar, D es la densidad y
C la velocidad de detonacion en pies/s. Una alta presi´on de detonacion (alta velocidad de detonaci´on) es utilizada para fragmentar
rocas muy duras como el granito (7 en la escala de Mohs
1 y una densidad aproximada de 2.5), mientras que en rocas suaves como los esquistos (rocas sedimentarias y metam´orficas
con menos de 4 en la escala de Mohs) puede ser necesaria una baja presion de detonaci´on
(baja velocidad de detonaci´on) para su fragmentaci´on; la roca caliza, que es el material
que extrae Cementos del Valle en la mina La Calera, tiene una propiedad importante y
es la de tener diferente dureza en direcciones perpendiculares, con 4.5 a 5 en escala de
Mohs en direccion longitudinal y 6.5 a 7 en la escala de Mohs en direcci´on lateral (Griem y
Griem-Klee, 2001).
B.2.2.5. Sensibilidad
Es la medida de la facilidad de iniciaci´on de los explosivos, es decir, el mınimo de energıa, presion o potencia necesaria para que ocurra la iniciacion.
Lo ideal de un explosivo es que sea sensible a la iniciaci´on mediante cebos (estopines) para
asegurar la detonacion de toda la columna de explosivo, e insensible a la iniciaci´on accidental
durante su transporte y manejo.
Una prueba estandar utilizada para determinar la sensibilidad de un producto explosivo es
la sensibilidad al fulminante (los fulminantes est´an catalogados del numero 4 al 12 y se
diferencia en las cantidades de fulminato de mercurio y clorato de potasio), para esto se
utiliza un fulminante numero 6 (2 gramos de una mezcla de 80% de fulminato de mercurio
y 20% de clorato de potacio), si el producto estalla al quemar este fulminante se dice que el
producto es un explosivo, de lo contrario se le denomina agente explosivo. Adicionalmente
para comparar las sensibilidades entre diferentes productos se utilizan fulminantes de diferente
potencias, cuanto mas alto sea el numero de la capsula mayor sera la sensibilidad del
explosivo.
B.2.2.6. Resistencia al agua
La resistencia al agua en un explosivo es medida como la habilidad de resistir el agua sin deterioro o perdida de sensibilidad, mas precisamente, es
el numero de horas que el explosivo puede estar sumergido en agua y aun ser detonado.
Si hay poca presencia de agua en el barreno o el tiempo entre la carga de los explosivos y la
detonacion es corto, entonces un explosivo con catalogacion de resistencia al agua “Buena”
puede ser suficiente; si el explosivo esta expuesto en un tiempo prolongado a el agua o esta
1
La escala de Mohs mide la dureza relativa de los minerales, va desde 1 en el mineral de yeso hasta 10 en el diamante
104
se percola al barreno se debe utilizar un explosivo con catalogacion de resistencia al agua
“Muy buena” o “Excelente”. En general los geles explosivos tienen la mejor resistencia al
agua. Los explosivos de alta densidad tienen una una buena resistencia al agua, mientras
que los de baja densidad tienen baja o ninguna.
B.2.2.7. Emanaciones
La detonacion de explosivos comerciales produce vapor de agua, dioxido de carbono y nitrogeno, los cuales, aunque no son toxicos, forman gases asfixiantes
como monoxido de carbono y ´oxidos de nitrogeno.
B.2.3. Tipos de explosivos
Un explosivo es un compuesto quımico o mezcla de componentes que, cuando es calentado,
impactado, sometido a friccion o a choque, produce una ´rapida reaccion exotermica liberando
una gran cantidad de gas y produciendo altas temperaturas y presiones en un breve instante
de tiempo.
Los ingredientes utilizados en la fabricacion de explosivos generalmente son: bases explosivas,
transportadores de oxıgeno, combustibles, anti´acido y absolventes, algunos ingredientes
realizan mas de una funci´on en los explosivos. Una base explosiva es un liquido o solido
que al aplicarsele suficiente calor, o al ser sometido a un choque fuerte, se descompone en
gases con la liberacion de una gran cantidad de calor. Los combustibles combinados con
exceso de ox´ıgeno previenen la formacion de ´oxidos de nitrogeno. los transportadores de
oxıgeno aseguran la oxidacion completa del carbon para prevenir la formaci´on de monoxido
de carbono. La formacion de ´oxidos de nitrogeno y mon´oxido de carbono no es deseable ya
que produce gran cantidad de humo, pero tambien es indeseable por que resulta en un bajo
calor de detonacion y por consecuencia poca eficiencia de la voladura. Los antiacidos son
utilizados como estabilizantes en el almacenamiento. Los absorbentes absorben lıquidos en
bases explosivas (OCE, 1972).
Existen varios tipos de explosivos que son utilizados en canteras y en minerıa superficial,
entre ellos estan (Otra catalogacion mas elaborada se encuentra en Persson et al., 1994):
Dinamitas
En esta catalogacion entran todas las mezclas de nitroglicerina, diotomita y otros componentes; existen varios tipos como: nitroglicerina dinamita, Dinamita amoniacal
de alta densidad (dinamita extra), dinamita amoniacal de baja densidad.
Geles
Entre estos se encuentran los geles explosivos, que son fabricados a partir de nitrocelulosa y nitroglicerina; el
straight gel, fabricado a partir de los geles explosivos y combustibles gelatinizados. Este explosivo generalmente tiene una consistencia pl´astica
y es de de alta densidad; otro es el gel amoniacal (gel extra) y los semi-geles.
Agentes explosivos
Son mezclas de combustibles y ´oxidantes, entre ellos tenemos los 105
agentes explosivos secos como el
ANFO y las lechadas explosivas. De la gran cantidad de explosivos, muchos de los cuales no se incluyen en la catalogacion
anterior, los mas usados en canteras y minerıa son: los geles y los agentes explosivos; de
estos se hablara a continuaci´on.
B.2.3.1. Geles
B.2.3.1.1. Gel explosivo
La gelatina (gel) explosiva es fabricada a˜nadiendo nitrocelulosa a la nitroglicerina, tambien se le anade un antiacido para estabilizar la mezcla para
su almacenamiento. Este explosivo tiene altas velocidades de detonaci´on y un excelente
comportamiento de resistencia al agua, pero emite un gran volumen de humo. Este es el
explosivo comercial mas potente, tambien es llamado
“oil well explosive”. B.2.3.1.2. straight gel
Es un explosivo pl´astico denso fabricado a partir de nitroglicerina (o explosivos con base en petr´oleo gelatinizado), nitrocelulosa, carbon combustible
2 y sulfuro. Este tipo de geles tienen una excelente resistencia al agua (son a prueba de agua).
Este explosivo es fabricado con una fuerza por peso (ver secci´on B.2.2.1 en la p´agina 99)
del 20% al 90 %. Este tipo de explosivos es usado cuando se necesita fragmentar rocas muy
duras, o en el fondo del barreno como inicializador de la un agente explosivo. El straight gel
ha sido sustituido por el gel amoniacal, que es mas econ´omico, aunque se sigue usando en
trabajos que requieran un alto grado de resistencia al agua o en en trabajos bajo el agua.
Los straight geles tienen dos velocidades de detonaci´on caracter´ısticas, la m´as r´apida ocurre
cuando esta confinado mientras que velocidades mucho menores resultan de un confinamiento
insuficiente o una presi´on hidrost´atica alta. Cuando existe una presi´on hidrost´atica externamente
alta puede no inicializarse la voladura; tambi´en se han desarrollado geles de alta
velocidad, que son iguales a los straight geles pero con una densidad ligeramente menor,
m´as sensitivos a la detonaci´on con velocidad de detonaci´on constante aunque var´ıe el grado
de confinamiento o la presi´on hidrost´atica aumente; este tipo de geles es utilizado particularmente
en exploraci´on geof´ısica.
B.2.3.1.3. Gel amoniacal
En este tipo de gel explosivo es reemplazada una cantidad de nitroglicerina y nitrato de sodio por nitrato de amonio. Este gel explosivo se puede comparar
con el
straight gel en cuanto a su fuerza; el explosivo fue desarrollado como un reemplazo econ´omico del
straight gel. El gel amoniacal es fabricado con una fuerza por peso que varia entre 30% y 80 %. Comparado con el anterior este tiene menor velocidades de detonaci´on,
menos resistencia al agua y genera menor cantidad de gases (lo que lo hace muy usado en
miner´ıa subterr´anea). La gran fuerza (mayor a 70 %) hace que este explosivo sea un buen
inicializador de los agentes explosivos.
2
Combustible carbonaceo? 106
B.2.3.1.4. Semigeles
La fuerza por peso de este tipo de explosivos varia entre el 60% y 65 %. Este explosivo tiene las mismas propiedades que el gel amoniacal; los semigeles son
usados como reemplazo de los geles amoniacales cuando es necesaria una mayor resistencia
al agua; este explosivo es aun mas econ´omico que el gel amoniacal. Los semigeles tiene
velocidades de detonaci´on entre 3200 y 3600 m/s, a diferencia de otros explosivos, este no
se ve notoriamente afectado por el confinamiento.
En la tabla B.1 se incluyen algunas de las propiedades de los geles, tales como: Fuerza
por peso y cartucho, gravedad especifica, velocidad de detonaci´on en un medio confinado,
resistencia al agua y calidad en emanaciones, conceptos que se explican en la secci´on B.2.2.
B.2.3.2. Agentes explosivos
Los agentes explosivos consisten en una mezcla de combustible y agentes ´oxidantes, ninguno de los cuales se los considera explosivos (ver sensibilidad
en la p´agina 102). Un agente explosivo consiste de nitratos inorg´anicos y combustible
de carbon, puede contener otras sustancias no explosivas tales como polvo de aluminio
o ferrosilicona, con el fin de aumentar su densidad. La adici´on de explosivos y calor de
detonaci´on, por ejemplo
TNT, a este tipo de mezcla cambia la clasificaci´on de agentes explosivos a explosivos. Debido a su incesibilidad los agentes explosivos deben ser inicializados
por un explosivo.
B.2.3.2.1. Agentes explosivos secos
El Agente explosivo seco mas utilizado es una mezcla de nitrato de amonio granuloso (similar al de los abonos) y combustible (diesel), a este
explosivo se le llama
ANFO por sus siglas en ingl´es “Ammonium Nitrate – Fuel Oil”. Este producto ha reemplazado a las dinamitas y gelatinas explosivas en voladuras de minas y
canteras. En la practica este producto se fabrica con 94% de nitrato de amonio y 6% de
combustible Diesel.
Un inadecuado cebado (proceso de inicializaci´on del explosivo) en la carga de
ANFO implica una baja velocidad de detonaci´on inicial, esto lleva a fallo de la voladura. Para que esto no
ocurra se utilizan explosivos de alta velocidad y presi´on distribuidos a lo largo del barreno que
contiene
ANFO. La velocidad de detonaci´on en barrenos cargados con ANFO depende de el di´ametro del barreno, a mayor di´ametro mayor velocidad de detonaci´on, como se observa
en la tabla B.2. Di´ametros menores a 7 cm no son recomendados (OCE, 1972).
La gravedad especifica del
ANFO varia entre 0,75 y 0,95, dependiendo de la densidad y tama˜no de las part´ıculas del AN (Nitrato de Amonio). Las principales ventajas que tiene el
ANFO
sobre otros explosivos convencionales son: Es mas seguro por su baja sensibilidad, es f´acil de cargar en los barrenos y tienen un precio muy bajo. En su forma fluida este agente
explosivo tiene la ventaja adicional de llenar todos los espacios en el barreno, lo que asegura
un eficiente uso del explosivo.
107
B.2.3.2.2. Lechadas explosivas
Este tipo de agentes explosivos contiene nitrato de amonio en una soluci´on acuosa. Dependiendo de los ingredientes pueden ser clasificados como
agentes explosivos o como explosivos. Las lechadas explosivas (
slurry blasting) contienen ingredientes no explosivos combustibles tales como carbon y aluminio, y por lo general no
son sensitivos a detonaci´on de c´apsulas (ver secci´on sobre sensibilidad en la p´agina 102) a
menos que se incluya un explosivo como
TNT. La velocidad de detonaci´on de este tipo de agentes explosivos varia entre 3700 y 5500
m/s, dependiendo del tipo de ingredientes utilizados, el di´ametro del barreno, el grado
de confinamiento y la densidad. Sin embargo, la velocidad de detonaci´on de las lechadas
explosivas no depende tanto de el di´ametro del barreno como en el caso del
ANFO. La gravedad especifica de este tipo de agentes explosivos esta entre 1,1 y 1,6. La lechada
explosiva tiene las mismas ventajas que los agentes explosivos tales como el
ANFO, pero el rendimiento es mayor a ellos debido a que las velocidades de detonaci´on y densidades son
mayores.
B.3. Tecnicas basicas utilizadas en voladuras
Las voladuras se realizan con varios propositos, entre ellos: mover y remover roca, controlar
superficies de las rocas en excavaciones y triturar la roca hasta un tama˜no deseado; para
alcanzar cada uno de estos propositos se utilizan t´ecnicas diferentes. En esta seccion se
muestran tecnicas com´unmente empleadas en voladuras de minerıa superficial y excavaciones
superficiales tales como patrones de voladuras y uso de retardos.
B.3.1. Patrones de voladuras
B.3.1.1. Distribuci´on de barrenos - Plantillas - Mallas
Las plantillas son configuraciones regulares de barrenos dispuesta en planta y en secci´on. Las configuraciones de
barrenos pueden tener muchas formas, pero las mas usadas son: Fila ´unica como se indica
en la Figura B.3(a), arreglos rectangulares regulares como en la Figura B.3(b) y barrenos
en patr´on escalonado representado en la Figura B.3(c). Tambi´en se utilizan patrones de
arreglos semi-regulares o irregulares en ´areas donde no se puedan utilizar patrones regulares.
Existen dos t´erminos utilizados en los arreglos de barrenos: el primero, el “espaciamiento”,
que es la distancia lateral entre centros de barrenos; el segundo, el “borde”, se define como
la distancia desde una fila de barrenos y la cara de la excavaci´on o la distancia entre filas
que son detonadas en secuencia. Los arreglos de barrenos en perfil se caracterizan por la
profundidad del barreno (o altura de barreno) y su inclinaci´on (ver Figura B.3). En algunos
casos se suelen mezclar barrenos a diferentes profundidades con el fin de obtener resultados
108
Figura B.2. Vista en planta de arreglos basicos de barrenos.
(a) Fila ´unica
(b) Patron regular
(c) Patron escalonado
particulares.
B.3.1.2. Voladuras de una sola carga
En las voladuras con una sola carga existen dos t´ecnicas usadas, la primera es realizar pequenas voladuras de un solo barreno en bloques
de roca medianos con el fin de fragmentarla para un mas f´acil transporte, se muestra en la
Figura B.5(a), a esta tecnica de voladuras se le com´unmente “Volo”. La otra tecnica de una
sola carga es usada en grandes movimientos de masa, consiste en usar una gran cantidad
de explosivos dispuestos generalmente en tuneles. Esta ha sido usada para la construccion
de represas (Adushkin et al., 1995), sus dos principales configuraciones son: el “Hueco de
serpiente”, Figura B.5(b), que es un tunel con una sola cavidad para los explosivos y el
“Tunel coyote” tiene forma de T como se muestra en la Figura B.5(c).
109
Figura B.3. Vista en perfil de un arreglo de barrenos.
B.3.2. Patrones de retardo
Las secuencia de retardo (secuenciacion) consiste en detonar los barrenos en secuencias
de tiempo predeterminados. Para obtener una secuencia de retardo se utilizan detonadores
electricos, no electricos (micro-retardados), o cordon detonante. Los patrones de retardos
mas utilizados son: retardo por fila, retardo por columna y retardo escalonado. Algunas
secuencias t´ıpicas de retardo se muestran en la Figura B.6, la ultima de las cuales es usada
en “La Calera” (ver secuencia en Figura B.5).
En minerıa superficial se usan plantillas de barrenos con patrones de retardo, el fin de
mover y remover roca, conseguir una fragmentacion de roca adecuada y controlar el nivel
de vibraciones.
B.4. Explosivos y tecnicas y su relacion con las vibraciones
En el caso de las voladuras la energıa (capacidad de realizar trabajo) es usada en el fracturamiento
y movimiento de las rocas, ası como en la generaci´on y transmisi´on de vibraciones
y ondas en el suelo y el aire. El trabajo realizado en el proceso de la voladura depende de
la cantidad (peso) del explosivo utilizado. Para propositos pr´acticos, puede suponerse que
110
Figura B.4. Tecnicas de voladuras con una sola carga.
(a) Barreno para fragmentaci´on de roca (b) Vista en perfil de un t´unel hueco de
serpiente
(c) Vista en planta de un t´unel Coyote
todos los explosivos comerciales utilizados en la actualidad tienen la misma energ´ıa por
por unidad de peso. La cantidad de explosivos detonados por instante de tiempo (definido
generalmente como 8 ms) es la que determina la energıa total liberada en la explosion. En
fısica la energıa es una cantidad que se expresa en unidades de fuerza por distancia, aunque
no es estrictamente cierto pero es ´util en voladuras la energ´ıa se relacionada con el peso del
explosivo utilizado.
El grado de confinamiento de un explosivo determina la fraccion de energ´ıa aprovechada
en el fracturamiento de la roca y la magnitud de las vibraciones transmitidas al suelo y
al aire. A mayor confinamiento, mas energ´ıa es utilizada en el fracturamiento de la roca y
generaci´on de vibraciones y menos en la generaci´on de ondas ac´usticas. Adicionalmente el
espaciamiento y la secuenciacion de la voladura influyen en el grado de confinamiento de
los explosivos.
El tipo de roca tiene una d´ebil influencia en la velocidad de part´ıcula m´axima. Cuando la
111
Figura B.5. Fotos de la secuencia una voladura en la mina La Calera
densidad de las rocas es mayor (mayor velocidad de onda compresional -P-), es tambien
mayor la velocidad de part´ıcula cerca a la voladura, sin embargo, a grandes distancias puede
ocurrir lo contrario.
La atenuaci´on es la variacion de la velocidad de part´ıcula pico con la distancia, para las
voladuras generalmente se expresa como
V
res = K R W
m −n (B.2)
(Persson et al., 1994; Dowding, 2001), donde
A y n son par´ametros estimados (denominados
o en secciones anteriores), R es la distancia de la voladura a un sitio determinado (sitio de medici´on),
W es la carga por unidad de tiempo (8 ms), y Vres es la m´axima velocidad de part´ıcula en el sitio de medici´on. Para una explosi´on totalmente confinada y esf´erica en
un medio infinito y el´astico, la teor´ıa indica que
m = 1/3 y n = 1 ´o 2 dependiendo de la distancia desde la explosi´on. Las cargas usadas en la practica son cil´ındricas y no esf´ericas,
adem´as el medio no es infinito por que hay una superficie libre que en muchos casos es
vertical. Por medio de un an´alisis dimensional se puede llegar a un valor de
m = 1/2 para cargas cilındricas, mientras que el valor de
n varia entre 1.4 y 1.8. Las vibraciones del suelo causadas por una explosion dada varian en frecuencia as´ı como en
amplitud con respecto a la distancia (
R). Como resultado de una explosi´on un rango amplio 112
Figura B.6. Secuenciacion tıpica de mallas.
(a) Secuenciaci´on por filas (b) Secuenciaci´on en escal´on
(c) Secuenciaci´on en V (d) Secuenciaci´on en N
de frecuencias se presentan en las vibraciones del suelo, pero algunas frecuencias o rangos
de frecuencias se presentan predominantemente. Estas frecuencias dominantes decrecen con
la distancia desde la explosion. El rango de frecuencias registrados en vibraciones inducidas
por voladuras esta entre 0.5 y 200 Hz. En algunos casos la frecuencia predominate esta
asociada con el borde (Figura B.3,
B) y la velocidad de onda P (CP ), estando definida como
f
1 = C
P 2
B ,
(B.3) o el tambi´en se puede relacionar con la altura (H) de la cara y la velocidad de ondas
S (CS), en cuyo caso ser´a
f
2 = C
S 4
H ;
(B.4) estas ecuaciones se derivan de observaciones de vibraciones en el suelo (OCE, 1972; USACE,
1989). Cuando las mediciones se hacen en afloramiento de roca, la frecuencias predominantes
usualmente est´an entre 10 y 100 Hz; cuando las mediciones se realizan sobre un deposito
de suelo de mas de 3 metros la frecuencia predominante esta en el rango de 1 a 40 Hz. Un
gran n´umero de voladuras secuenciales micro-retardadas incrementan el contenido de bajas
frecuencias en las vibraciones.
B.4.1. Reducci´on de niveles de vibraci´on
B.4.1.1. Reducir la carga por retardo
Para reducir el da˜no debido a vibraciones del suelo, es necesario reducir la relaci´on carga/retardo a un valor en el cual la maxima velocidad
113
de part´ıcula sea menor al criterio de da˜no. Para lograr la fragmentaci´on deseada, es necesario
tener un factor de fragmentacion a un nivel mınimo. El factor de fragmentaci´on esta definido
como el peso de explosivo (
Wt) entre el volumen total de roca extra´ıda. Dependiendo del tipo de roca, el borde, y el m´aximo tamano de fragmentos necesario, el factor de fragmentaci´on
adecuado estara en el rango de 0.3 a 0.6 kg/m
3. Para lograr ambos objetivos (factor de fragmentacion y nivel de vibraciones) es necesario incrementar el n´umero de barrenos.
B.4.1.2. Intervalos de retardo
Existe una relacion inversa entre el tiempo de retardo de la voladura y el nivel de vibraci´on que esta genera. El hecho de cambiar el intervalo
de retardo de 5 ms a 9 ms implica una reduccion de las vibraciones de 2 a 3 veces en su
magnitud (Lutton, 1976). Una causa de tal disminucion se debe a que si la onda de presion
de un barreno viaja desde ´este hasta la cara libre de la voladura y de aqu´ı a otro barreno que
esta a punto de detonar, entonces el segundo barreno estara mas confinado y por lo tanto el
explosivo suministrara una mayor cantidad de energıa, la cual se utilizara en fragmentacion.
Los intervalos de retardo pueden producer interferencia destructiva, esta previene la superposici
´on de picos de vibraci´on fuera del ´area de la voladura. La interferencia constructiva
dentro del ´area de voladura y contigua produce un mayor grado de fracturamiento de la
roca, efecto buscado en muchas minas y canteras.
B.4.1.3. Reducci´on del borde
Reduciendo el borde se reduce la duraci´on del confinamiento y menos energ´ıa es utilizada en vibraciones del terreno, pero, mas energ´ıa es
convertida a ondas ac´usticas.
114
Tabla B.1. Propiedades de los geles explosivos.
Fuerza Fuerza Gravedad Velocidad det. Resistencia Emanaciones
peso [ %] cartucho [ %] especifica confinada [m/s] Agua
Gel Explosivo
100 90 1.3 7500 - 8000 Excelente Pobre
Straight gel
90 80 1.3 7000 Excelente Pobre
70 70 1.4 6400 Excelente Pobre
60 60 1.4 6000 Excelente Bueno
50 55 1.5 5600 Excelente Bueno
40 45 1.5 5000 Excelente Bueno
30 35 1.6 4400 Excelente Bueno
20 30 1.7 3300 Excelente Bueno
Gel amoniacal
80 72 1.3 6000 Excelente Bueno
70 67 1.4 5800 Excelente Muy Bueno
60 30 1.4 5300 Excelente Muy Bueno
50 52 1.5 5000 Excelente Muy Bueno
40 45 1.5 4800 Excelente Muy Bueno
30 35 1.6 4200 Excelente Muy Bueno
Semigeles
63 60 1.3 3600 Muy bueno Muy Bueno
63 50 1.2 3600 Muy bueno Muy Bueno
63 40 1.1 3500 Bueno Muy Bueno
63 30 0.9 3200 Aceptable Muy Bueno
Adaptado de OCE (1972)
115
Tabla B.2. Velocidad de detonacion y concentracion de carga de
ANFO con relacion al diametro del barreno
Diametro Velocidad det. Concentraci´on carga
barreno [cm] confinada [m/s] en barreno [kg/m]
3,8 2100 – 2700 0.9 – 1.0
5,1 2600 –3000 1.6 –1.9
7,6 3000 – 3300 3.7 – 4.5
10,2 3400 – 3600 6.6 – 7.7
12,7 3500 – 3800 10.3 – 12.2
15,2 3700 – 3900 14.7 – 17.4
17,8 3800 – 4000 19.8 – 23.5
20,3 3800 – 4100 26.2 – 31.0
22,9 3900 – 4100 32.8 – 39.9
25,4 4000 – 4100 40.5 – 48.6
27,9 4000 – 4100 49.2 – 58.7
30,5 4050 – 4100 59.0 – 69.7
Adaptado de OCE (1972)
116
