Explosivos – tipos y propiedades

Introducción

Los explosivos están presentes en los trabajos de minería, la construcción y la industria, tanto es así, que su uso lo hace muy peligroso si no se manipulan de acuerdo a las normas establecidas su mal uso a causado muchos accidentes graves y muy peligrosos, es por esto que el conocerlo y estudiarlos nos dan una ventaja a la hora de relacionarnos con ellos.

Los explosivos se usan para romper, destruir o debilitar materiales de gran dureza, normalmente rocas o en demoliciones en obras civiles. El uso de los explosivos industriales en determinadas fases de la construcción de las obras públicas, o en edificación, constituye una herramienta irreemplazable para su economía y eficacia.

Los explosivos convencionales y los agentes explosivos poseen propiedades diferenciadoras que los caracterizan y que se aprovechan para la correcta selección, atendiendo al tipo de voladura que se desea realizar y las condiciones en que se debe llevar a cabo.
Las propiedades de cada grupo de explosivos permiten además predecir cuáles serán los resultados de fragmentación, desplazamiento y vibraciones más probables.
Las características más importantes son: potencia y energía desarrollada, velocidad de detonación, densidad, presión de detonación, resistencia al agua y sensibilidad. Otras propiedades que afectan al empleo de los explosivos y que es preciso tener en cuenta son: los humos, la resistencia a bajas y altas temperaturas, la desensibilización por acciones externas, etc.

OBJETIVOS:

OBJETIVOS GENERALES:

• Dar a conocer los diversos tipos de explosivos posibles a utilizar
  en el proceso de voladura en una minería tanto a cielo abierto como
  en subterráneo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

• Indicar las principales propiedades de los diferentes explosivos,
  así como mostrar sus principales ventajas y limitaciones.

• Mostrar cual es el proceso o ciclo de detonación que sigue
  un explosivo, en el proceso de voladura.

Marco teórico

1) EXPLOSIVOS INDUSTRIALES:

Los explosivos químicos industriales se clasifican en dos grandes grupos según la velocidad de su onda de choque:

a) Explosivos Rápidos y Detonantes. Con velocidades entre 2.000 y 7.000 mis.

b) Explosivos Lentos y Deflagrantes. Con menos de 2.000 mis.

Los deflagrantes comprenden a las pólvoras, compuestos pirotécnicos y compuestos propulsores para artillería y cohetería, casi sin ninguna aplicación en la minería o ingeniería civil, salvo en el caso de rocas ornamentales.

Los explosivos detonantes se dividen en Primarios y Secundarios según su aplicación. Los Primarios por su alta energía y sensibilidad se emplean como iniciado res para detonar a los Secundarios, entre ellos podemos mencionar a los compuestos usados en los detonadores y multiplicadores (fulminato de mercurio, pentrita, hexolita, etc.).

Los Secundarios son los que se aplican al arranque de rocas y aunque son menos sensibles que los Primarios desarrollan mayor trabajo útil.

Estos compuestos son mezclas de sustancias explosivas o no, cuya razón de ser estriba en el menor precio de fabricación, en el mejor balance de oxígeno obtenido, y en las características y propiedades que confieren los ingredientes a las mezclas en lo relativo a sensibilidad, densidad, potencia, resistencia al agua, etc.

Los explosivos industriales de uso civil se dividen a su vez en dos grandes grupos, que en orden de importancia por nivel de consumo y no de aparición en el mercado son:

A. Agentes Explosivos:

Estas mezclas no llevan, salvo algún caso, ingredientes intrínsecamente explosivos. Los principales son:

• Anfo

• Alanfo

• Hidrogeles

• Emulsiones

• Anfo Pesado

B. Explosivos Convencionales:

Precisan para su fabricación de sustancias intrínsecamente explosivas que actúan como sensibilizadores de las mezclas. Los más conocidos son:

• Gelatinosos

• Pulverulentos

• De Seguridad

En este trabajo se exponen las características básicas de cada explosivo, las sustancias constituyentes y la influencia de diferentes parámetros sobre la eficiencia alcanzada en las voladuras de rocas.

Agentes explosivos secos

Este grupo engloba, como ya se ha indicado, todos aquellos explosivos que no son sensibles al detonador y en cuya composición no entra el agua. El factor común es en todos ellos el Nitrato Amónico, por lo que seguidamente se analizarán algunas de sus propiedades.

Figura 1. Agentes explosivos secos con base de Nitrato Amónico.

2.1. Nitrato Amónico:

El Nitrato Amónico (NH4NO3) es una sal inorgánica de color blanco cuya temperatura de fusión es 160,6°C.

Aisladamente, no es un explosivo, pues sólo adquiere tal propiedad cuando se mezcla con una pequeña cantidad de un combustible y reacciona violentamente con él aportando oxígeno. Frente al aire que contiene el 21% de oxígeno, el NA posee el 60%.

Aunque el NA puede encontrarse en diversas formas, en la fabricación de explosivos se emplea aquel que se obtiene como partículas esféricas o porosas, ya que es el que posee mejores características para absorber y retener a los combustibles líquidos y es fácilmente manipulable sin que se produzcan apelmazamientas y adherencias.

La densidad del NA poroso o a granel es aproximadamente 0,8 g/cm3, mientras que las densidades de las partículas del NA no poroso se acercan a la de los cristales (1,72 g/cm3), pero con valores algo inferiores (1,40 -1,45 g/cm3) debido a la microporosidad.

El NA de mayor densidad no se emplea debido a que absorbe peor al combustible y por lo tanto reacciona más lentamente con él en el proceso de detonación.

Normalmente, el NA utilizado tiene una microporosidad del 15%, que sumada a la macroporosidad se eleva al 54%.

En cuanto al tamaño de las partículas suele variar entre 1 y 3 mm. El NA en estado sólido cuando se calienta por encima de 32,1°C, cambia de forma cristalina:

(ß) Ortorrómbico: Densidad del Cristal = 1,72 g/cm3. Si se le adiciona 32.1 °C.

(?) Ortorrómbico: Densidad del Cristal = 1,66 g/cm3.

Esta transición es acompañada de un aumento de volumen del 3,6%, produciéndose seguidamente la rotura de los cristales en otros más pequeños. Cuando los cristales y se enfrían y existe algo de humedad tienden a aglomerarse formando grandes terrones.

La solubilidad del NA en el agua es grande y varía ampliamente con la temperatura: De ahí que el ANFO no se utilice en barrenos húmedos.

• A 10°C el 60,0% solubilidad.

• A 20°C e1 65,4% solubilidad.

• A 30°C el 70,0% solubilidad.

• A 40°C el 73,9% solubilidad.

La higroscopicidad es también muy elevada, pudiendo convertirse en líquido en presencia de aire con una humedad superior al 60%. La adición de sustancias inertes hidrofílicas como el caolín o las arcillas en polvo evitan que el NA absorba humedad, aunque también disminuyen su sensibili.dad.

La temperatura ambiente juega un papel importante en el proceso de absorción de la humedad. En ocasiones, los granos de NA se protegen con sustancias hidrófugas que impiden su humedecimiento superficial.

El NA es completamente estable a temperatura ambiente, pero si se calienta por encima de 200°C en un recipiente cerrado puede llegar a detonar. La presencia de compuestos orgánicos acelera la descomposición y baja la temperatura a la cual ésta se produce. Así con un 0,1% de algodón el NA empieza a descomponerse a los 160°C.

2.2. Anfo:

En 1947 tuvo lugar una desastrosa explosión de Nitrato Amónico en Texas City (Estados Unidos), ya que esa sustancia se había intentado proteger con parafinas, y sólo un 1% de ésta ya constituía un buen combustible sensibilizante del NA.

Aparte de la propia catástrofe, este hecho hizo centrar la atención de los fabricantes de explosivos en el potencial energético del NA y de sus posibilidades como explosivo dado su bajo precio.

Cualquier sustancia combustible puede usarse con el NA para producir un agente explosivo. En Estados Unidos a finales de los años 50 se empleaba polvo de carbón pero, posteriormente, fue sustituido por combustibles líquidos ya que se conseguían mezclas más íntimas y homogéneas con el NA.

El producto que más se utiliza es el gasoil, que frente a otros líquidos como la gasolina, el keroseno, etc., presenta la ventaja de no tener un punto de volatilidad tan bajo y, por consiguiente, menor riesgo de explosiones de vapor.

Foto 1. Gránulos de Nitrato Amónico.

Los aceites usados se han aprovechado también como combustible, pero tienen los inconvenientes de reducir la sensibilidad a la iniciación y propagación, la velocidad de detonación y el rendimiento energético. Debido a sus altas viscosidades tienden a permanecer en la superficie de los gránulos de NA ocupando los macroporos.

Actualmente, no está justificada desde un punto de vista económico la sustitución total o parcial del gas – oil, por aceites usados debido a los inconvenientes que entrañan estos productos.

El contenido de combustible juega un papel importantísimo sobre las diferentes propiedades del anfo. La reacción de descomposición del sistema equilibrado en oxígeno es:

Produciendo unas 920 Kcal/kg, que puede ser inferior en los productos comerciales según el contenido en materias inertes, y un volumen de gases de 970 1. La mezcla estequiométrica corresponde a un 95,3% de NA y un 5,7% de gas – oil, que equivalen a 3,7 litros de éste último por cada 50 kg de NA.

La influencia que tiene el porcentaje de combustible sobre la energía desprendida y velocidad de detonación quedan indicadas en la siguiente figura:

Figura 2. Variación de la energía termodinámica y velocidad de detonación del anfo con el contenido de gas – oil.

Se ve pues que no interesan ni porcentajes inferiores ni superiores al indicado si se pretende obtener el máximo rendimiento en las voladuras. En ocasiones, como por ejemplo épocas de verano, se suele añadir más gas – oil al anfo, pues puede llegar a perderse por el calor hasta e150% del combustible, con una merma importante en la eficiencia.

El control de calidad del anfo es sencillo, pues consiste en la extracción del gas-oil de una muestra por medio de éter, y medida del peso de la misma antes y después del proceso.

Figura 3. Procedimiento de laboratorio para medir el porcentaje de gas – oil.

También el contenido de combustible afecta a la cantidad de gases nocivos desprendidos en la explosión (CO + NO). Cuando en las voladuras los humos producidos tienen color naranja, ello es un indicativo de un porcentaje insuficiente de gas-oil, o bien que el anfo ha absorbido agua de los barrenos o no se ha iniciado correctamente.

La variación de sensibilidad con la cantidad de combustible también es acusada, pues con un 2% de gasolina iniciación puede conseguirse con un detonador, aunque la energía disponible es muy baja, y con una cantidad superior al 7% la sensibilidad inicial Decrece notablemente.

Figura 4. Sensibilidad del anfo a la iniciación.

Tal como se ha indicado anteriormente con el NA, el agua es el principal enemigo del anfo, pues absorbe una gran cantidad de calor para su vaporización y rebaja considerablemente la potencia del explosivo. En cargas de 76 mm de diámetro una humedad superior al 10% produce la insensibilización del agente explosivo. En tales casos el único recurso de empleo consiste en envolver al ANFO en recipientes o vainas impermeables al agua.

Figura 5. Influencia del contenido de agua sobre la velocidad de detonación.

Las características explosivas del ANFO varían también con la densidad. Conforme ésta aumenta la velocidad de detonación se eleva, pero también es más difícil conseguir la iniciación.

Por encima de una densidad de 1,2 g/cm3 el anfo se vuelve inerte no pudiendo ser detonado o haciéndolo sólo en el área inmediata al iniciador. El tamaño de los gránulos de NA influye a su vez en la densidad del explosivo.

Así, cuando el anfo se reduce a menos de 100 mallas su densidad a granel pasa a ser 0,6 g/cm3, lo que significa que si se quiere conseguir una densidad normal entre 0,8 y 0,85 g/cm3 para alcanzar unas buenas características de detonación será preciso vibrarlo o compactarlo.

Por otro lado, el diámetro de la carga es un parámetro de diseño que incide de forma decisiva en la velocidad de detonación del anfo.

Figura 6. Influencia del diámetro de la carga sobre la velocidad de detonación.

El diámetro crítico de este explosivo está influenciado por el confinamiento y la densidad de carga. Usado dentro de barrenos en roca con una densidad a granel de 0,8 g/cm3 el diámetro crítico es de unos 25 mm, mientras que con 1,15 g/cm3 se eleva a 75 mm.

La sensibilidad de iniciación del anfo disminuye conforme aumenta el diámetro de los barrenos. En la práctica los multiplicadores de 150 g son efectivos en diámetros de carga inferiores a los 150 mm, y por encima de ese calibre se recomiendan multiplicadores de 400 a 500 g.

Aunque el anfo se emplea predominantemente como carga a granel, es importante saber que la energía por metro lineal de columna disminuye con el desacoplamiento. Cuando el confinamiento de la carga no es grande la "VD" y la presión máxima sobre las paredes de los barrenos disminuyen.

2.3. Alanfo:

Como la densidad del ANFO es baja, la energía que resulta por unidad de longitud de columna es pequeña.

Para elevar esa energía, desde 1968 se viene añadiendo a ese agente explosivo productos como el Aluminio con unos buenos resultados técnicos y económicos, sobre todo cuando las rocas son masivas y los costes de perforación altos. Cuando el aluminio se mezcla con el nitrato amónico y la cantidad es pequeña la reacción que tiene lugar es:

Pero cuando el porcentaje de aluminio (Al) es mayor, la reacción que se produce es la siguiente:

Figura 11.9. Efecto del aluminio sobre la energía desarrollada con respecto a una misma cantidad de anfo.

El límite práctico, por cuestiones de rendimiento y economía se encuentra entre el 13 y el15 %. Porcentajes superiores al 25% hacen disminuir la eficiencia energética. Las especificaciones que debe cumplir el aluminio son: en cuanto al tamaño que se encuentre casi el 100% entre las 20 y las 150 mallas y en cuanto a la pureza que sea superior al 94%.

En estos agentes explosivos, la pureza no es tan crítica como en los hidrogeles, ya que no es de temer la acción galvánica producida por los cambios de pH. Esto significa que restos o desechos de aluminio de otros procesos pueden emplearse en la fabricación del ALANFO.

El límite inferior de tamaño es debido a que si el Al está en forma de polvo pueden producirse explosiones incontroladas.

Hidrogeles

Los hidrogeles son agentes explosivos constituidos por soluciones acuosas saturadas de NA, a menudo con otros oxidantes como el nitrato de sodio y/o el de calcio, en las que se encuentran dispersos los combustibles, sensibilizantes, agentes espesantes y gelatinizantes que evitan la segregación de los productos sólidos.

El desarrollo de estos explosivos tuvo lugar a finales de la década de los 50 cuando Cook y Farnam consiguieron los primeros ensayos positivos con una mezcla del 65% de NA, 20% de Al y 15% de agua. Tras esos primeros resultados, Cook empezó a utilizar como sensibilizante el TNT, y así comenzó en Canadá la fabricación comercial bajo patente, extendiéndose después a Estados Unidos.

Posteriormente, se realizaron las primeras experiencias con hidrogeles sensibilizados con aluminio. Este metal planteaba serios problemas de empleo, pues reaccionaba con el agua a temperatura ambiente desprendiendo hidrógeno. Para evitar ese fenómeno se pasó a proteger las partículas de aluminio con productos hidrófugos. Ya en 1969 la Dupont desarrolló unos nuevos hidrogeles que se caracterizaban por no contener los compuestos explosivos tradicionales, ni metales particulados como sensibilizantes fundamentales, sino que incorporaban como combustible sustancias orgánicas como las derivadas de las aminas, parafinas, azúcares, etc.

En la Fig. 11.10 se indican los principales tipos de explosivos acuosos obtenidos a partir del Nitrato Amónico, en dos grandes grupos que son los hidrogeles y las emulsiones con sus mezclas.

Centrándonos en los hidrogeles que se emplean actualmente, el proceso de fabricación se basa en el mezclado de una solución de oxidantes con otra de nitrato de monometilamina (NMMA) y la adición de diversos productos sólidos y líquidos, tales como oxidantes, espesantes, gelatinizantes, etc. La solución de oxidantes está constituida por agua, nitrato amónico y nitrato sódico, a la que se aporta tio-urea y parte de las gomas que permiten conseguir una viscosidad alta para retener las burbujas de gas. El nitrato sódico tiene las ventajas de disponer de una gran cantidad de oxígeno y de disminuir el punto de cristalización de las soluciones salinas.

La solución de NMMA se prepara calentando los bidones en los cuales se transporta, ya que ésta se encuentra solidificada al tener un punto de cristalización entre los 33 y 39°C. Este producto tiene unas características como sensibilizante excelentes, pues es muy buen combustible con un balance de oxígeno muy negativo y alta densidad, y además es poco sensible a efectos dinámicos subsónicos de choques y roces. Las proporciones de NMMA en los hidrogeles oscilan entre el 10 y el 35%.

La mezcla de aditivos sólidos está formada por aluminio, almidón, gomas y otras sustancias en menor proporción. El aluminio aumenta proporcionalmente la sensibilidad de los hidrogeles y las gomas, y el almidón sirve para espesar las mezclas. En ocasiones se añaden compuestos capaces de formar enlaces cruzados que producen la gelatinización de los hidrogeles.

Por otro lado, como el porcentaje de agua utilizado no es suficiente para disolver todos los nitratos, cierta cantidad de éstos se añaden en estado sólido formando parte de la fase dispersa. Para modificar la densidad se puede proceder a la gasificaci6n química, generalmente con nitrito de sodio, o a la adición de productos de baja densidad, microesferas de vidrio, etc.

La mezcla de todos esos componentes se realiza de forma continua o discontinua con mezcladoras dotadas de agitación y que pueden estar instaladas en plantas fijas o sobre camiones.

En cuanto a las características de los hidrogeles, ya que en su composición no se utilizan sensibilizantes intrínsecamente explosivos, poseen una seguridad muy alta tanto en su fabricación como en su manipulación. A pesar de esto, presentan una aptitud a la detonación muy buena que hacen que algunos hidrogeles puedan emplearse en calibres muy pequeños e iniciarse con detonadores convencionales.

La resistencia al agua es excelente y la potencia, que es una característica fundamental de aplicación, es equivalente o superior a la de los explosivos convencionales, pudiendo ajustarse en función de la formulación del hidrogel.

Las energías desarrolladas oscilan en el rango de las 700 a las 1500 cal/g. La densidad puede también modificarse, desde 0,8 hasta 1,6 g/cm3, partiendo de un valor básico comprendido entre 1,4 y 1,5. Mediante la adición de gasificantes químicos, como ya se ha indicado, o de aditivos de baja densidad puede reducirse tal parámetro. Esas disminuciones influyen sobre los explosivos haciendo que la velocidad de detonación aumente en muchos casos, así como su sensibilidad.

Como es obvio, la variedad de productos que pueden obtenerse con distintas composiciones es muy grande. Desde los hidrogeles encartuchados, semejantes a los explosivos gelatinosos convencionales, hasta los vertibles que tienen unas características reológicas que hacen que puedan tratarse como fluidos. En este último caso se pueden aprovechar beneficiosamente las ventajas derivadas de una carga mecanizada así como del hecho de rellenar totalmente el hueco de los barrenos perforados.

En lo referente a los humos de voladura, los hidrogeles sensibilizados con aluminio presentan unas calidades de humo mejores que las obtenidas con explosivos convencionales.

Emulsiones

Este grupo de explosivos, que es el de más reciente aparición en el mercado, mantiene las propiedades de los hidrogeles ya citados, pero a su vez mejora dos características fundamentales como son la potencia y la resistencia al agua.

El interés de estos productos surgió a comienzos de la década de los 60, cuando se investigaban las necesidades básicas de un explosivo para que se produjera el proceso de detonación combinando una sustancia oxidante con un aceite mineral.

Estos constituyentes han permanecido químicamente invariables durante muchos años (nitrato amónico + gas-oil), pero, sin embargo, la forma física ha cambiado drásticamente. En la Tabla 11.2 se resumen, en el orden cronológico de aparición de los explosivos, los oxidantes, combustibles y sensibilizadores empleados en la fabricación de cada uno de ellos.

Desde un punto de vista químico, una emulsión es un sistema bifásico en forma de una dispersión estable de un líquido inmiscible en otro. Las emulsiones explosivas son del tipo denominado "agua en aceite" en las que la fase acuosa está compuesta por sales inorgánicas oxidantes disueltas en agua y la fase aceitosa por un combustible líquido inmiscible con el agua del tipo hidrocarbonado.

El desarrollo de los explosivos ha llevado aparejado una reducción progresiva del tamaño de las partículas, pasando desde los sólidos a las soluciones salinas con sólidos y, por último, a las microgotas de una emulsión explosiva. Tabla 11.3.

Se comprende así, que la dificultad de fabricación de las emulsiones se encuentra en la fase aceitosa pues, por imperativo del balance final de oxígeno, el 6% en peso de la emulsión, que es el aceite, debe englobar al 94% restante que se encuentra en forma de microgotas.

En la Tabla anterior las velocidades de detonación de cada uno de los explosivos, que corresponden a un diámetro dado, reflejan la fuerte dependencia de la eficiencia de la reacción con el tamaño de las partículas. La estructura de las emulsiones se observa en las fotografías siguientes, donde las microgotas de solución saturada (oxidante) adoptan una forma poliédrica y no de esferas, con una fase continua de aceite que las envuelve. En la Foto 11.2.c el tamaño de las microgotas comparado con el de un prill de nitrato amónico es 100 veces más pequeño.

Para conseguir una sensibilización adecuada de los explosivos cuando éstos no contienen sensibilizantes químicos, sólidos o líquidos, se precisa un mecanismo físico como el de las burbujas de gas, que al ser comprimidas adiabáticamente producen el fenómeno de "Puntos Calientes" que favorecen tanto la iniciación como la propagación de la detonación.

Los agentes gasificantes que se utilizan están constituidos por poliestireno expandido o microesferas de vidrio. En lo referente a los tipos de emulsión, bajo ese término quedan englobados productos de diferentes propiedades relacionadas con las características de la fase continua y su efecto sobre la viscosidad y consistencia.

Según el tipo de combustible, gas-oil, parafinas, gomas, etc., las características reológicas de las emulsiones son distintas, así como sus aplicaciones y métodos de empleo. También el tipo de agente emulsificante que se utilice para reducir la tensión superficial entre los dos líquidos inmiscibles y permitir la formación de la emulsión, puede ayudar a evitar los problemas de coagulación en grandes gotas de la solución de nitrato amónico, así como el fenómeno de cristalización de las sales.

Otro aspecto a tener en cuenta es el enfriamiento del producto desde el momento de su fabricación, que se realiza a unas temperaturas próximas a los 80°C, hasta el instante de empleo. El esquema de preparación de las emulsiones, tanto encartuchadas como a granel, se representa en la Fig.11.14. A partir de los diferentes componentes: fase acuosa oxidante, fase combustible y agente emulsificante-estabilizante, y previo calentamiento de éstos, se procede a una intensa agitación dinámica obteniendo una emulsión básica que posteriormente se refina para homogeneizarla y estabilizarla en el tiempo.

A continuación, se mezcla con los productos secos que se adicionan para ajustar la densidad o la potencia del explosivo. Esos productos sólidos pueden ser: aluminio en polvo, agentes gasificantes reductores de densidad, gránulos de nitrato amónico, etc. El polvo de aluminio aunque aumenta la energía desarrollada por el explosivo tiene un efecto reductor de la velocidad de detonación.

Por otro lado, la sensibilidad de la emulsión disminuye conforme aumenta la densidad, siendo necesario trabajar por encima del diámetro crítico y utilizar iniciadores potentes.

La tendencia actual hacia el empleo de las emulsiones en las operaciones de arranque con explosivos se fundamenta en las numerosas ventajas que presentan:

• Menor precio, ya que en su fabricación no se precisa el uso de gomas y féculas de alto coste.

• Excelente resistencia al agua.

• Posibilidad de conseguir productos con densidades entre 1 y 1,45 g/cm3

• Elevadas velocidades de detonación, 4000 a 5000 m/s, con poco efecto del diámetro de encartuchado.

• Gran seguridad de fabricación y manipulación.

• Posibilidad de mecanizar la carga y preparar mezclas con ANFO.

Por el contrario, los inconvenientes que plantean son los derivados de unas condiciones de preparación muy estrictas, la alterabilidad por las bajas temperaturas, la contaminación durante la carga si se utiliza a granel, el tiempo de almacenamiento y los períodos prolongados de transporte.

ANFO pesado

En la tecnología actual de voladuras es incuestionable que el ANFO constituye el explosivo básico. Diversos intentos se han dirigido hacia la obtención de una mayor energía de este explosivo, desde la trituración de los prills de nitrato amónico de alta densidad hasta el empleo de combustibles líquidos de alta energía, como las nitroparafinas, el metanol y el nitropropano, pero comercialmente no han prosperado.

El ANFO Pesado, que es una mezcla de emulsión base con ANFO, abre una nueva perspectiva en el campo de los explosivos.

El ANFO presenta unos huecos intersticiales que pueden ser ocupados por un explosivo líquido como la emulsión que actúa como una matriz energética. Fig.11.15

Aunque las propiedades de este explosivo dependen de los porcentajes de mezcla, las ventajas principales que presenta son:

• Mayor energía.

• Mejores características de sensibilidad.

• Gran resistencia al agua.

• Posibilidad de efectuar cargas con variación de energía a lo largo del barreno.

La fabricación es relativamente fácil, pues la matriz emulsión puede ser preparada en una planta fija y transportada en un camión cisterna hasta un depósito de almacenamiento o ser bombeada a un camión mezclador. Con estos camiones pueden prepararse in-situ las mezclas de emulsión con nitrato amónico y gas-oil en las proporciones adecuadas a las condiciones de trabajo. Fig. 11.16.

En la Fig. 11.17 se muestra la variación de la Potencia Relativa en Volumen (ANFO = 100) en un ANFO Pesado en función del porcentaje de emulsión. Puede verse cómo un ANFO Pesado 70/30 es superior en potencia a un ALANFO del 5% y una mezcla 60/40 es casi comparable a un ALANFO del 10%. Curiosamente, cuando la matriz de emulsión aumenta por encima del 40% la potencia disminuye debido a que la separación de las partículas de ANFO resulta elevada para que éstas actúen eficientemente como puntos calientes y propagadores de la onda de choque.

La densidad de la mezcla aumenta con el porcentaje de emulsión. Alcanzándose la energía máxima para un valor de ésta de 1,3 g/cm3 aproximadamente. En la Fig. 11.18 se indica la variación de la sensibilidad del ANFO Pesado conforme aumenta el porcentaje de emulsión. La sensibilidad disminuye al incrementarse la densidad, siendo necesario cada vez un iniciador de mayor peso. Para una densidad de 1,33 se necesita un multiplicador de Pentolita de 450 g como mínimo.

Con la reciente aceptación del ANFO Pesado en la industria, esos mismos explosivos pero aluminizados hacen posible pensar en una mejora de la eficiencia de las operaciones y ahorro de costes, al tratarse de productos de una alta potencia volumétrica y con un precio relativamente bajo.

El aluminio incrementa la energía total producida, la potencia relativa en volumen, la temperatura y la presión de detonación. El efecto de la adición de aluminio a un ANFO Pesado 70/30 (ANFO/emulsión) se muestra en la Fig. 11.19.

La Tabla 11.4. recoge las potencias del ANFO, las emulsiones y diversos ANFOS Pesados preparados a partir de nitrato amónico poroso de baja densidad, y distintos porcentajes de aluminio. La reacción del aluminio durante la detonación da lugar a la formación de óxidos sólidos y no productos gaseosos. El volumen de gas que se genera por el explosivo es, por esto, reducido. El calor de formación de los óxidos de aluminio es muy alto, 16260 kJ/kg, resultando una ganancia considerable del calor de explosión que aumenta la temperatura de los gases.

Este aumento de la temperatura ayuda a reducir el volumen de los gases, desarrollando éstos un mayor trabajo al estar más calientes. La adición de aluminio facilita el desarrollo de una mayor cantidad de trabajo para una misma cantidad de explosivo, pudiéndose entonces aumentar la piedra y el espaciamiento de los esquemas, mientras que se mejora la fragmentación resultante de las voladuras. La Fig. 11.20. permite definir la composición óptima de un explosivo para obtener una potencia dada. Las potencias relativas en volumen con respecto al ANFO varían entre 1,0 Y 1,9.

Explosivos gelatinosos

Alfred Nobel en 1875 descubrió que una gran cantidad de nitroglicerina (NG) podía disolverse y quedar retenida en nitrocelulosa (NC), obteniéndose un producto con consistencia plástica de fácil uso y manipulación en aquella época. Esa gelatina explosiva formada por e192% de NG y e18% de NC tenía un balance de oxígeno nulo y desarrollaba una energía incluso superior que la NG pura."'Posteriormente, con intención de reducir la potencia de esa mezcla explosiva se añadieron sustancias oxidantes y combustibles, en las proporciones adecuadas para mantener el balance de oxígeno, de manera que además de reducir considerablemente el coste de fabricación se conservaba la consistencia gelatinosa.

Así, el porcentaje de NC-NG de las gelatinas explosivas actuales oscila entre el 30 y el 35%, y el resto corresponde a los oxidantes como el nitrato amónico, a los combustibles y a otros productos especiales que sirven para corregir la higroscopicidad de los nitratos. A pesar de la pequeña cantidad de NG, las potencias resultantes no son tan bajas como parecerían a simple vista, pues se alcanzan niveles próximos al 80%de la goma pura Las ventajas principales de estos explosivos que se han utilizado con mucha profusión hasta épocas recientes son:

– Potencias elevadas.

– Altas densidades, desde 1,2 hasta 1,5 g/cm 3.

– Elevadas velocidades de detonación, entre 5.000 y 6.000 m/s.

– Gran resistencia al agua y estabilidad química. Los inconvenientes más importantes que presentan son:

– Riesgo de accidentes en la fabricación y transporte.

– Sensibles a estímulos subsónicos y por consiguiente elevado peligro si la maquinaria golpea o impacta con restos de explosivo.

– Produce dolores de cabeza, pues la NG dilata los vasos sanguíneos.

– Reducida flexibilidad para la utilización en condiciones ambientales extremas.

– Elevados costes de fabricación.

Las principales aplicaciones de estos explosivos se centran en el arranque de rocas duras y muy duras, como cargas de fondo, y en voladuras bajo presión de agua y en barrenos húmedos.

Explosivos pulverulentos

Aquellas mezclas explosivas sensibilizadas con NG pero con un porcentaje inferior al 15%, tienen una consistencia granular o pulverulenta.

Dentro de este grupo de explosivos cabe distinguir aquellos que poseen una base inerte y los de base activa. Los primeros, actualmente en desuso, fueron desarrollados por Nobel en 1867 y se componían de NG y kieselghur o tierra de infusorios calcinada. Los de base activa, se fabrican en su mayoría sustituyendo las sustancias inertes por una mezcla de oxidantes y combustibles que aportan una potencia adicional.

El primer oxidante utilizado fue preferentemente el nitrato sódico, que se sustituyó después por el nitrato amónico de mayor eficiencia energética. También este caso se emplea aditivos especiales para reducir la higroscopicidad del NA.

En otros explosivos pulverulentos parte de la NG es sustituida, total o parcialmente, por TNT.

Las características que poseen estas mezclas explosivas son:

– Potencias inferiores a las de los gelatinosos.

– Velocidades de detonación y densidades inferiores, de 3.000 a 4.500 m/s y de 0,9 a 1,2g/cm3 respectivamente.

– Muy poca resistencia al agua.

– Adecuados para rocas blandas y semiduras como carga de columna.

Explosivos de seguridad

Se denominan Explosivos de Seguridad, en otros países Permisibles, a aquellos especialmente preparados para su uso en minas de carbón con ambientes inflamables de polvo y grisú. Su característica principal es la baja temperatura de explosión. .

Actualmente, los Explosivos de Seguridad se clasifican en dos grupos. El primero, es el que en su composición se encuentra un aditivo que juega el papel de inhibidor de la explosión, generalmente cloruro sódico, que según su granulometría, porcentaje, etc., aumenta con mayor o menor intensidad el grado de seguridad frente a una atmósfera inflamable.bio manual, mientras que las de sección redonda se utilizan cuando las perforadoras disponen de cambiadores .El segundo grupo, de más reciente aparición y de nominados de Seguridad Reforzada o de Intercambio lónico, consiguen rebajar la temperatura de explosión mediante diversos ingredientes que al reaccionar en el momento de la detonación forman al inhibidor en ese mismo instante. Estos explosivos suelen estar constituidos por un pequeño porcentaje de Ng, un combustible, y el par salino nitrato sódico-cloruro amónico. La reacción que tiene lugar es: NaNO3 + NH4CI + NaCI + NH4NO3 el nitrato amónico actúa después como oxidante y el cloruro sódico en estado naciente es el que tiene un gran poder refrigerante, mucho mayor que en los explosivos de seguridad clásicos.

Si, por un fallo, un cartucho de explosivo de intercambio iónico detona al aire o bajo unas condiciones de confinamiento débiles, los fenómenos que tienen lugar son la descomposición explosiva de la nitroglicerina y la acción inhibidora del cloruro amómico ya que no se produce la reacción del par salino. En cualquier caso, se evita la deflagración que sería muy peligrosa en una atmósfera inflamable.

Las características prácticas de los explosivos de seguridad son: una potencia media o baja, velocidades de detonación entre 2.000 y 4.500 mis, densidades entre 1 y 1,5 g/cm3 y mala resistencia al agua, salvo en algún compuesto.

Pólvoras

Actualmente, la pólvora para uso minero tiene la siguiente composición: Nitrato Potásico (75%), Azufre (10%) y Carbón (15%). Presentándose siempre granulada y grafitada, con dimensiones que oscilan entre 0,1 mm y 4 mm y envasada generalménte en bolsas de 1, 2,5 Y5 kg. La velocidad de combustión depende de la densidad de la pólvora y condiciones de confinamiento, y es siempre inferior a los 2.000 m/s, por lo que obviamente es un explosivo deflagrante. La potencia que desarrolla con respecto a la goma pura es del orden del 28%, y la energía específica de 23.800 kgm/kg, con una temperatura máxima de unos 200°C. La resistencia al agua es muy mala. Hoy en día, la utilización de la pólvora se ha reducido a la extracción de bloques de roca ornamental y al arranque de materiales muy elastoplásticos como los yesos, que rompen mejor bajo el efecto continuado de los gases que por una tensión puntual instantánea. Se trata pues de aprovechar el gran empuje de los gases más que el efecto rompedor que es bajo.

Explosivos de dos componentes

Los explosivos de dos componentes, también llamados explosivos binarios, están constituidos por dos sustancias que individualmente pueden clasificarse como no explosivas. Cuando se transportan o almacenan separadamente, normalmente, no están reguladas como si fueran explosivos, aunque sí deben ser protegidas de los robos. El explosivo binario más común es una mezcla de nitrato amónico pulverizado y nitrometano, aunque también se han utilizado otros combustibles de, cohetes. Los dos componentes se suelen transportar al área de trabajo en recipientes separados, y a continuación el combustible líquido es vertido en el recipiente de nitrato amónico. Después de un tiempo de espera predeterminado la mezcla se vuelve sensible al detonador y ya está lista para su uso.

Los explosivos binarios se utilizan cuando se requieren pequeñas cantidades de explosivos, como sucede en obras especiales de cimentaciones, nivelaciones, zanjas de cables, etc. Cuando los consumos son elevados, el mayor precio y el inconveniente de tener que preparar las mezclas en el lugar de trabajo les hacen poco atractivos frente a los explosivos convencionales.

Explosivos comercializados en España

En las Tablas 11.5 y 11.6 se resumen las características técnicas principales de los explosivos comerciales en España por la UEE, S. A.

Como puede observarse existen siete familias de explosivos: ANFOS, hidrogeles, emulsiones, ANFOS Pesados, gelatinosos, pulverulentos y de seguridad. Además de indicarse los campos de aplicación de los distintos tipos de explosivos, se dan los valores característicos de diferentes propiedades.

La potencia relativa, expresada en tanto por ciento, se refiere a la goma pura, que se toma como explosivo patrón asignándole el valor 100. Las pruebas realizadas para medir la energía disponible para producir los efectos mecánicos son las del bloque de plomo (Traulz) y mortero balístico.

La densidad de encartuchado es una característica muy interesante de los explosivos, que depende en gran parte de la granulometría de los componentes sólidos y tipo de materias primas empleadas en su fabricación.

La velocidad de detonación señalada corresponde a ensayos realizados con cartuchos de 26 mm de diámetro, cebados con un detonador del número 8.

Finalmente, se indica el calor de explosión y la resistencia al agua. Esta última refleja el comportamiento de los explosivos ante la humedad y depende de su composición. A medida que aumenta la proporción de sales oxidantes disminuye la resistencia al agua, especialmente en el caso del nitrato amónico, por ser muy higroscópico. Por el contrario, las gomas y los hidrogeles son los explosivos que mejor se comportan en ambientes húmedos o bajo agua.

Por otro lado, en la Tabla 11.6 se reflejan las dimensiones
de los cartuchos de los diferentes tipos de explosivos que se comercializan,
el peso aproximado y el tipo de encartuchado empleado.