EVOLUCIÓNDE LOS

EXPLOSIVOSINDUSTRIALESPorVíctor Legorburu ZuazuayLuis Sánchez Barbero

1.- INTRODUCCIÓN

Desde el descubrimiento en1847 de la nitroglicerina por el químicoitaliano Ascanio Sobrero y de la dinamitagelatinosa en 1870 por el ingeniero suecoAlfred Nobel, los explosivos industriales hanexperimentado un gran auge en las últimasdécadas.

El desarrollo de los nuevosproductos explosivos se ha dirigido haciauna mayor seguridad en su manipulación yun menor costo no sólo en su fabricación,sino también en su aplicación, al podersefacilitar su carga a granel o por bombeo.

Estos objetivos seconsiguieron primero con el desarrollo dela mezcla de aceites minerales con el nitratoamónico o Anfo. A continuación sefabricaron lo geles explosivos o Hidrogeles.Finalmente se han desarrollado lasemulsiones explosivas y sus mezclas conel Anfo .

Actualmente se fabrica unagama muy amplia de explosivos industriales,que permite al usuario elegir el másadecuado para su trabajo. Esta selecciónse basa en la determinación de una seriede parámetros del macizo rocoso a volar,en la definición previa de la geometría de la

voladura y en el conocimiento de unconjunto de propiedades, que caracterizancada tipo de explosivo.

2.- PROPIEDADES DE LOSEXPLOSIVOS INDUSTRILES

Las características quediferencian los explosivos industriales, nosólo se refieren a las que existen entre cada“familia” de ellos, sino también dentro decada una de ellas.

De esta forma la aplicación delos explosivos se realiza en cada caso deuna forma idónea con la consecución derendimientos máximos posibles.

La elección del explosivoteniendo en cuenta sus propiedades físicasy químicas se basa en los siguientesparámetros: Potencia explosiva.- Velocidad de detonación.- Densidad de encartuchado.- Resistencia al agua.- Sensibilidad y aptitud a lapropagación.- Humos.

2 . 1 Potencia explosiva.

La potencia de un explosivoes su capacidad de fracturar y proyectar laroca a volar. Esta definición no es muyprecisa, puesto que para volar rocasblandas se necesita un explosivo de bajapotencia. Realmente esta propiedad es elresultado de la combinación de su velocidadde detonación y del volumen de gasesproducidos en la explosión.

Existen varios métodos paravalorar esta característica, utilizándosenormalmente la deformación producida enal interior de un bloque de plomo o Traulz yla reacción que mueve un balancín oMortero Balístico.

Esta propiedad se debe tener

en cuenta no sólo relacionándola con lascaracterísticas físicas de la roca a volar, sinotambién con la situación geométrica de lavoladura. Este último caso se presenta enlos barrenos del cuele del frente de avanceen un túnel o de una galería, puesto que enesa reducida zona del cuele, si se utiliza unexplosivo muy potente se produce unadeformación plástica de la roca, en vez desu arranque.

2 . 2 Velocidad de detonación.

La velocidad de detonación esla correspondiente al desplazamiento através del explosivo de la onda dedetonación. Este parámetro tiene unsignificado físico de potencia cedida por ladetonación del explosivo, ya que a mayorvelocidad mayor será también la energíacedida en el mismo tiempo

La energía proporcionada du-rante la explosión se manifiesta en parte porla onda de detonación, destinada a fisurarla roca y por otra parte en los gases que aelevada presión y temperatura, ensanchanlas grietas, proyectando los fragmentos deroca.

En el caso de una roca dura ytenaz, el efecto más importante paraproducir su voladura es el conseguir sufisuración y por el contrario, si la roca esblanda y deleznable, es mejor que laexplosión de lugar a una gran cantidad degases.

En cualquier caso, la eficaciade un explosivo está determinada por laaproximación entre el valor de ladenominada impudencia del explosivo, quees el producto de su densidad por suvelocidad de detonación y de la impedanciadel macizo rocoso, producto de su densidadpor su velocidad de propagación sísmica.

La velocidad de un mismo tipode explosivo depende del diámetro del

cartucho, del grado de confinamiento y dela energía recibida para su iniciación.

La medida de la velocidad dedetonación se puede realizar por diferentesmétodos, según la precisión que se quieraconseguir, siendo los más frecuentes losde Dautriche, el del Cronógrafo y el deKodowimeter.

2 . 3 Densidad del encartuchado.

La densidad del encartuchadodepende del parámetro físico del pesoespecífico del explosivo y del grado decompactación. Esta se realiza de forma queen cada explosivo sea la óptima paradesarrollar su máxima velocidad, potencia,etc.

En general, los explosivos dealta densidad tienen mayor potencia yvelocidad de detonación y además, son másresistentes al agua.

2 . 4 Resistencia al agua.

Esta propiedad depende delos elementos constituyentes del explosivo,especialmente del nitrato amónico, puesesta sal oxidante es muy higroscópica. Locontrario ocurre con la nitroglicerina, por locual los explosivos que contienen estecompuesto orgánico resisten mucho lapresencia del agua o el ambiente húmedo.También, debido a sus componentes, sonmuy resistentes los hidrogeles y lasemulsiones, y prácticamente inutilizable enel caso de que exista agua en los barrenoses el Anfo, por su alto contenido en nitratoamónico.

2 . 5 Sensibilidad. Aptitud a ladetonación

La sensibilidad es la facilidadrelativa de un explosivo para detonar,cuando se le somete a un estímulo externo.Los explosivos deben mantenerseinsensibles ante los golpes o rozamientos

accidentales, para conseguir una mayorseguridad en su manejo; pero debe detonarcuando se quiere iniciar su explosión.

Actualmente se tiende autilizar explosivos muy poco sensibles, paraque su carga sea lo más segura posible,especialmente si ésta se hacemecánicamente; su iniciación tieneentonces que realizarse a través de unapequeña carga intermedia, cuyaintroducción en el barreno se hace por otrosmedios más seguros.

El grado de insensibilidad deun explosivo se mide por medio de ensayos,que provocan choques o rozamientosconvenientemente normalizados ysemejantes a los casos extremos a los quepudiese estar sujeto el explosivo.

Los hidrogeles y lasemulsiones, no reaccionan ante estosestímulos, mientras que las gomas son máso menos sensibles según la proporción, quetengan de nitroglicerina, aunque ante unmanejo adecuado también estos explosivosson seguros.

La sensibilidad de unexplosivo está relacionada con la aptitud ala detonación, cuando se produce cerca deél una explosión. Este parámetro, que tienesu interés práctico cuando el explosivo seencuentra confinado en un barreno, seobtiene mediante ensayos con diferentesdistancias de separación, efectuados al airelibre sobre cualquier material inerte comoes el mismo suelo.

2 . 6 Humos.

Los humos de una voladuraestán formados por el conjunto de gasesresultantes de la explosión. En ellos existengases derivados de la reacción química delos componentes del explosivo, producidospor la detonación además de vapor de aguay finas partículas de los productos propiosdel explosivo y de la roca volada.

Los gases de la explosióntienen una gran importancia cuando serealizan voladuras en túneles o en la mineríasubterránea, puesto que suelen tenercompuestos químicos nocivos, como sonlos óxidos de carbono y los vapores nitrosos.

Lógicamente la escasez decomponentes ricos en oxígeno y laabundancia de nitratos en el explosivo dalugar a humos más nocivos. Por lo tanto,los explosivos cuyo componente mayoritarioes el nitrato amónico, como en el caso delAnfo, son poco para el uso en voladurassubterráneas; las gomas y las emulsionesson un caso intermedio y los hidrogeles sonlos mejores,

3.-TIPOS DE EXPLOSIVOS INDUS-TRIALES

Los diferentes tipos deexplosivos industriales se pueden agruparen seis grandes familias, cada una de lascuales tienen unas características muydefinidas y propias de cada una de ellas.Estas son:

- Pólvora de mina.- Explosivos sensibilizados connitroglicerina,- ANFO.- Hidrogeles.- Emulsiones explosivas.- ANFO pesado.

3 . 1

La pólvora de mina es unproducto deflagrante y no realmenteexplosivo, puesto que su velocidad depropagación es de 400 m/s y por lo tanto nodetona.

Cuando la pólvora negra seinicia confinada dentro de un barreno no seproduce una onda de choque. Sólo actúan

los gases sobre la roca, presionándola yrompiéndola en los tramos situados entrelos barrenos, sin dañar el resto de la roca.Por esta razón, la pólvora negra se empleapreferentemente para separar bloquesgrandes de las rocas ornamentales de sumacizo.

Este producto explosivo esmuy sensible al agua, por lo que no se debeutilizar en barrenos que contengan agua.

3 , 2 Explosivossensibilizados con Nitroglicerina.

En el proceso de fabricaciónde estos explosivos, la nitroglicerina segelatiniza con nitrocelulosa, Además seañaden proporciones variables de nitratoamónico y otros productos, que lesconfieren diferentes propiedades, dandolugar a una amplia gama de Gelatinasespeciales, apropiadas para diferentesusos.

En general, estos explosivostienen una consistencia plástica, quepermite un buen encartuchado, una buenaresistencia al agua, por lo que se puedenutilizar en todas las condiciones por encimay por debajo del nivel freático e incluso bajoel mar. Estas propiedades junto con suelevada potencia explosiva, densidad yvelocidad de detonación, hacen que estosexplosivos sean adecuados para la voladurade las rocas más duras, especialmente enlas labores subterráneas.

Dentro de este tipo deexplosivos se fabrican también losdenominados de seguridad, en los que seañade un producto inhibidor y otros que alreaccionar entre sí en el momento de laexplosión son inhibidores y que impiden lainflamación del grisú, polvo de carbón omezclas de ambos en las minas de carbón.

3 . 3 ANFO.

A la mezcla de nitrato amónicocon aceites minerales se le denominaANFO. A este producto explosivo se lepueden añadir otros componentes queaumentan su potencia.

El ANFO es un materialgranulado, por lo que se puede cargar enlos barrenos a granel vertiéndolo desdesacos o mecánicamente desde camiones.Una de sus mayores ventajas es suseguridad en el manejo y el ser un explosivoque da un buen rendimiento en la voladurade rocas blandas o muy fracturadas, puessu explosión produce un gran volumen degases. Por el contrario tiene baja potencia,y no se puede usar cuando existe agua enlos barrenos. Los gases que produce sonmuy nocivos, lo que limita mucho su usoen túneles y minería subterránea.

3 , 4 Hidrogeles.

Los hidrogeles, tambiénllamados papillas explosivas, estánformados por un oxidante, generalmente unnitrato y un reductor, junto los gelatinizantes y estabilizantes, que le dan una buenaconsistencia e impiden la difusión dentro deél de la posible agua exterior, por lo queresiste muy bien la humedad y el agua delos barrenos.

Estos geles explosivos sonmuy seguros ante impactos y ondassubsónicas, sus humos son muy pocotóxicos, tienen una elevada potencia ypermiten su carga a granel y mecanizada.Esta última ventaja supone a su vez unamejora en el rendimiento del explosivo, puessu contacto con la pared del barreno es másestrecho, evita el encartuchado y minimizael personal y el tiempo de carga de lavoladura.

3 . 5 Emulsiones.

Las emulsiones explosivas

son unas dispersiones estables de doslíquidos, una solución acuosa y compuestoorgánico aceitoso, inmiscibles entre sí, peroque con un emulsionante se mantienen enestado disperso.

La fase acuosa está formadapor una solución de oxidantes y la orgánicapor un aceite mineral, que es el componentereductor. En principio es una mezclasemejante a la del ANFO, pero con ladiferencia importante, de que las gotitas deagua con oxidantes están rodeadas deaceite, dando lugar a que se produzca uncontacto más íntimo entre esos doscomponentes, aumentando su potenciaexplosiva; además se consigue una granresistencia al agua, pues el aceiteimpermeabiliza y evita una mayor disolucióndel nitrato, contenido en la fase acuosa.

La potencia de estosexplosivos, se evalúa por métodosdiferentes al péndulo balístico,considerando otros parámetros que sedefinen a continuación.

“ENERGÍA ABSOLUTA PORPESO” (AWS): Valor de la energía caloríficaobtenida por medio de los caloresespecíficos de formación de las reacciones,que se producen en la detonación delexplosivo por unidad de peso, expresadopor lo tanto en cal/g.

“ENERGÍA ABSOLUTA PORVOLUMEN” (ABS): Valor de la energía,obtenida al multiplicar el AWS por ladensidad del explosivo, expresándose elvalor en cal/cc, Este parámetro es másrepresentativo de la energía cedida por elexplosivo, ya que es función de sudensidad.

“FACTOR DE ENERGÍA”(EF): Su magnitud da el número de caloríasnecesarias para volar un metro cúbico deroca, calculándose al multiplicar el AWS,por la relación entre el peso del explosivoutilizado en la voladura y el volumen total

de roca arrancada, es decir, por el consumoespecífico. Su valor viene dado en cal/m3.

Así como en los explosivosindustriales tradicionales, su potencia serefiere a la de la Goma Pura, que se tomacomo unidad patrón en el ensayo delpéndulo, dándole el valor de 100, en elcaso de las emulsiones, estos valores serefieren al ANFO, como patrón.

De la consideración anteriorse llegan a determinar dos valoresfundamentales, que son:

“ENERGÍA RELATIVA PORUNIDAD DE PESO” (RWS): Relación en-tre las AWS de la emulsión y del ANFO,multiplicada por 100.

“ENERGÍA RELATIVA PORUNIDAD DE VOLUMEN” (RWS): Relaciónentre las ABS de la emulsión y del ANFO,multiplicada por 100.

3 .6 ANFO pesado.

El ANFO pesado es un nuevoexplosivo conseguido por la mezclaadecuada entre una emulsión explosiva yANFO.

El ANFO pesado es unexplosivo con característicasintermedias entre sus dos componentes,teniendo una mejor resistencia al Anfo,mayor densidad y potencia, aumentandosu rendimiento y ampliando su uso en lavoladura de cualquier tipo de material,con un costo menor de voladura.Presión (GPa)

Este tipo de explosivo es altamente segurofrente a estímulos subsónicos, roces,impactos, etc. Permitiendo su carga agranel o mecanizada por medio de bombeodesde camión. Su sensibilidad es laapropiada para iniciarse con una carga

multiplicadora o un cartucho de explosivosensible al detonador.

La potencia de estosexplosivos, se evalúa como en el caso delas emulsiones, siendo sus valoresintermedios entre el de estas y el del Anfo.Su RBS es de 125, para la mezcla del 30%de emulsión y el 70% de Anfo, con unadensidad de 1,15 g/cc.

4.- ENERGIA DE CHOQUE YBURBUJA

La energía de los explosivosse está evaluando actualmente por mediode un nuevo método de ensayo, consistenteen la detonación del explosivo bajo el aguay la determinación de las llamadas energíade choque y burbuja. Éstas son transmitidasal agua por la onda de choque y por losgases producto de la explosión.

La energía de choque serelaciona con el poder rompedor delexplosivo y la de burbuja es una medida deltrabajo útil de la expansión de los gases,que produce el arranque del materialfragmentado por la voladura.

La detonación de un explosivo induce, enel medio que la rodea, una onda de choqueque depende de las propiedades del propiomedio y de las características de losproductos de la detonación, Estos seencuentran en algún punto de su curvaadiabática dinámica o de Hugoniot,probablemente el estado de Chapman-Jouquet o (Figura 1). A partir de ese puntolos productos se expansionan de una formaisentrópica mucho más rápid0 que ladifusión del calor al medio, acelerándose yconvirtiendo así su energía interna encinética.

Si el medio que rodea el explosivo es elagua, sus partículas adquirirán unavelocidad, evolucionando según curvas ode acoplamiento. El resto de la energía setransformará en trabajo de expansión de losgases contra el agua o vaporización delagua, calentamiento de la misma, etc. Lasuma de la energía de choque (Ec), laenergía de burbuja (Eb) y las pérdidas (Ep)es el calor de explosión a volumen constante(Qv).

La energía de pérdida es una fracción de laenergía de choque, por lo que se puederelacionar con ella por medio del factor depérdida ( µ ), que en una función crecientede la presión de detonación del explosivo(Figura 2)

En resumen, los datos para calcular lasenergías de choque y burbuja, según loexpuesto, son:- Calor de explosión a volumenconstante (Qv)

- Estado C –J. En concreto, la presiónde detonación, para el cálculo del factor depérdida ( µ ) y la energía interna de losproductos, para calcular la energía dechoque.

- Isentrópica de los productos de laexplosión, hasta su intersección con laHugoniot del agua.

Todas estas magnitudes sepueden calcular con un códigotermodinámico, desarrollado por UEE ydenominado “DETCOM”, empleando laecuación de estado BKW de Cowan yFickett.

De la ecuación del impulsoaplicado a un choque, se deduce, si elmedio está inicialmente en reposo y elchoque es intenso:

P = ðo*V*v (1)

Donde V es la velocidad de choque, v lade las partículas y ðo es la densidad inicial.Las velocidades V y v verificanaproximadamente una relación linealdeterminada experimentalmente, que es:

V = c * s*v

Siendo c y s constantes del material, quepara el agua son 1.483 m/s y 2respectivamente.

Por lo tanto la ecuación (1)queda:

P = ðo * ( c + s*v ) * v

que es el Hugoniot del agua, cuyaintersección con la isentrópica calculada de

los productos de detonación, identifica unestado cuya energía interna se ha calculadocon DETCOM. Si Ecj es la energía internadel estado C-J y E1 la del punto deintersección:

Ec = Ecj - E1

Igualmente calculable conDETCOM el estado de la explosión avolumen constante y, por lo tanto, el calorde explosión Qv y la energía de la burbuja,que es:

Eb = Qv - µ * Ec

El factor µ se calcula a partirde la presión de detonación, con la funciónde la figura 2, utilizándose la recta µ =1,52 + 0,0276 * Pcj , cuando la presión dedetonación es superior a 10 GPa.

5 .- DETONADORESELECTRÓNICOS

Entre los accesorios de unavoladura son fundamentales los que inicianla detonación del explosivo. Desde eldetonador de mecha, seguido por eleléctrico y posteriormente por losdetonadores Nonel, Magnadet, Hercudet,y multiplicadores temporizadosconvencionales, se ha llegado actualmentea fabricar el Detonador Electrónico.

El sistema del detonadorelectrónico se compone básicamente de doselementos, uno de los cuales es eldetonador propiamente dicho y el otro elmando y programación, constando de unaparte analógica, una digital y del sistemade encendido. La primera trata las señalesrecibidas por los cables de conexión y lasenvía a la parte digital, que las interpreta,generando los tiempos de retardo y dandola señal de encendido a la cerillainflamatoria,

Este tipo de detonadores tienela posibilidad de regularse con gran

exactitud su retardo. Esta mejora permiteun mejor grado de fragmentación y unamenor vibración con no mucho mayor costo.

Una de las mayores ventajasde los detonadores electrónicos es laseguridad, ante cualquier corriente extrañaque incidentalmente llegase a sus cables deconexión, ya que es necesario un códigocifrado para que la corriente pasase a cargarel condensador cuya descarga inicia lacerilla.