Manual de Perforación y Voladura. Tema 2, 3 y 4 Variables, Explosivos y Mecanica

8/17/2019 Manual de Perforación y Voladura. Tema 2, 3 y 4 Variables, Explosivos y Mecanica

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[MANUAL DE PERFORACIÓN YVOLADURA DE ROCAS]

Ing. José L. Contreras 96Prof. de la Catedra Perforación y Voladura de Rocas

VARIABLES CONTROLABLES DE LA VOLADURAEXPLOSIVOS DE USO MINEROMECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA


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CAPITULO VII

7. VARIABLES CONTROLABLES DE LAS VOLADURAS

Antes de comenzar el tema de voladuras a cielo abierto es importante hacer hincapié en las variables que son

controlables en todo trabajo de voladura, estos llegan a clasificarse en tres grupos a saber:

Geométricas (diámetro, longitud de carga, espaciamiento, retiro, etc.)

Químico – Físicas (Tipo de explosivos, potencia del explosivo, energía, sistemas de carga, etc.)

De Tiempo (Tiempos de retardo, secuencia de iniciación, tiempos de salida).

Una vez determinadas estas variables, es aconsejable darle forma a los parámetros y nomenclaturas que se

utilizan en todo trabajo de voladura en bancos a cielo abierto, en la Figura 8.1, se puede observar cuales son estas

variables de diseño.

Fig. 7.1. Esquema de una voladura tipo

Variables de Diseño

H Altura de Banco Be Retiro Efectivo 2 rea del Barreno

L Longitud del Barreno S Espaciamiento 3 Roca Saliente o en Voladizo

LV Longitud de la Voladura Se Espaciamiento Efectivo 4 Sobre excavación

AV Ancho de la Voladura

β Angulo de Inclinación de

Barreno5

Grieta de Tracción

Øb Diámetro del Barreno J Sobreperforación 6 Descabezamiento

I Longitud de la Carga T Retacado 7 Cráter

D Diámetro de la Carga Θ Angulo de Salida 8 Carga Desacoplada

B Retiro 1 Repié 2 rea del Barreno


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7.1. DEFINICIONES

Algunas definiciones para tener en consideración para su mejor entendimiento y que serán utilizadas en

este Capitulo, son:

Bancos: Superficie en el terreno, generalmente horizontal con características geométricas tales, que facilitan

las operaciones de perforación, están dispuestas en una altura en metros definida en el plan de mina y en forma

escalonada.

Altura de Banco (H): corresponde a la cota topográfica definida por los estudios geotécnicos y avalada en el

plan de minas por los entes reguladores, en el caso venezolana esta función corresponde al Ministerio de

Petróleo y Minería (MENPETM) y al Ministerio de los Recursos Naturales (MARN), la relación optima de la

altura de banco esta definida por la ecuación (H/B ≥ 3). Si H/B = 1, se obtiene una fragmentación gruesa con

problemas de repiés y sobrexcavación, si H/B = 2, estos efectos se aminoran,, pero con H/B ≥ 3, los efectos son

casi nulos. Esta relación se cumple en canteras y minería de carbón, pero en minería de metálicos, la altura de

banco viene impuesta por el alcance del equipo de carga y la dilución mineral.

Longitud del Barreno (L): Longitud de perforación realizada en el área a volar definida por la altura del banco.

Área a Volar: Denominación que recibe el sector previamente seleccionado para ser volado.

Diseño localizado: Es la ubicación exacta de los barrenos ya perforados en los planos de diseño topográficos.

Bolones: Son rocas de gran tamaño, producto a veces de una mala voladura.

Malla de Perforación: Representa la disposición de los barrenos en el terreno definida por el espacial burden o

retiro y espaciamiento.

Diámetro del Barreno (Øb): definido por el diámetro de la broca de perforación, diseñado según las

características del macizo rocoso, el grado de fragmentación deseado, la altura del banco, configuración

del as cargas y por el equipo de perforación seleccionado.

Burden o retiro (B): Distancia más corta a la cara libre, en una malla de perforación, esta variable depende

del diámetro de la perforación, de las propiedades de la roca, de los explosivos a utilizar, de la altura del banco y

el grado de fragmentación y desplazamiento del material deseado, los valores de esta se encuentran entre 25 a

40D, dependiendo fundamentalmente del macizo rocoso. Valores menores o mayores con respecto al teórico

previsto pueden darse en las siguientes situaciones:

a. Error de posicionamiento o replanteo del barreno.

b. Falta de paralelismo entre el barreno y la cara del banco.

c. Desviaciones del barreno durante la perforación.

d. Irregularidades en el frente del talud.

Si el burden es excesivo, los gases de explosión encuentran mucha resistencia para agrietar y desplazar la

roca y parte de la energía se transforma en energía sísmica aumentando la intensidad de las vibraciones, este

fenómeno se puede observar en las voladuras de precorte donde el confinamiento es total y se registran niveles

de vibraciones hasta cinco veces superiores a los registrados en voladuras en banco, si por el contrario los


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valores son reducidos los gases se escapan y expanden a una velocidad muy alta hacia el frente libre,

impulsando a los fragmentos de roca, proyectándolos de forma incontrolada y produciendo un aumento en la

sobrepresión aérea y el ruido.

Espaciamiento (S): Distancia más larga entre barrenos de una misma fila en una malla de perforación, así

como en el calculo del Burden, esta variable depende del retiro y se calcula en función al retiro, el tiempo de

retardo de los barrenos y entre barrenos y de la secuencia de encendido. Espaciamientos pequeños (Ver Figura

8.2.) producen entre las cargas un exceso de trituración y roturas superficiales en cráter, bloques de gran

tamaño por delante de la fila de barrenos y problemas de repiés.

Fig. 7.2. Influencia del espaciamiento en una voladura en banco

Retacado (T): Volumen del barreno relleno de material inerte generalmente en superficie y que esta

definido por la relación de carga del barreno y el diámetro del mismo, por regla general al aumentar el

diámetro del barreno, aumenta el retacado, guarda relación con este mediante la forma (T/Øb


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retacado superior a 25Øb, para evitar problemas de onda aérea, proyecciones, cortes y

sobreexcavaciones.

Sobreperforación (J): Es la longitud del barreno por debajo del nivel del piso que se necesita para romper la

roca a la altura del banco y lograr una fragmentación y desplazamiento adecuado que permita al equipo de

carga alanzar la cota de excavación prevista.

Si la sobreperforación es pequeña, no se producirá el corte a la rasante proyectada, dando como resultado

la aparición de repiés con un considerable aumento en los costes de carga, pero si esta es excesiva se

producirá:

1. Aumento de los costos de perforación y voladura.

2. Incremento de los niveles de vibraciones.

3. Fragmentación excesiva en la parte alta del banco inferior, que provocara problemas en la perforación

del mismo y afectara en las zonas finales de cota a la estabilidad de los taludes.

4. Un aumento en los riesgos de descabezamiento y sobreexcavación al acentuarse la componente

vertical de desplazamiento de la roca.

La rotura en el fondo del barreno se produce en forma de cono invertido con un ángulo con la horizontal

dependiendo de la estructura del macizo y de las tensiones residuales, normalmente esta entre 10° y 30°. El

valor de la sobreperforación se puede obtener de la formula:

J = 0,30B

Puesto que se cumple la relación S = 1 a 1,40B y además

J / B = Tag α x ( S / 2), Donde: α = ángulo con la horizontal (10° a 30°)

Para eliminar la sobreperforación se recomienda utilizar explosivos con alto valor de concentración de

energía por unidad de longitud en la parte inferior de la carga y el empleo de barrenos inclinados.

Como dato curioso en las labores de minería de carbón en capas horizontales, para eliminar los efectos de

trituración de los extremos de las cargas, la sobreperforación toma valores negativos ya que se efectúa un

relleno en el fondo del barreno en longitud aproximada de 4Øb.

Angulo de Salida (θ): Corresponde al ángulo de incidencia de un barreno respecto a la disposición de los

barrenos en la malla de perforación.

Angulo de Inclinación del Barreno (β): Corresponde al ángulo que se le da a la perforación respecto a la

vertical y que se encuentra relacionado con los parámetros geotécnicos de la roca, mientras la perforacióneste inclinada se presentan ventajas a saber:

1. Mejora la fragmentación, desplazamiento y esponjamiento de la pila de material, ya que el valor B se

mantiene uniforme, aumentando el ángulo de la trayectoria de la proyección.

2. Mejoran los problemas de cortes en las líneas de iniciación y por consiguiente los fallos en las

voladuras.

3. Taludes con paredes más sanas, estables y seguras en los nuevos bancos creados.


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4. Los equipos de carga sobre ruedas obtienen mayores rendimientos, debido a la menor altura y mayor

esponjamiento de la pila.

5. Menor sobreperforación y mejor aprovechamiento de la energía del explosivo, lo que se traduce en una

reducción en las vibraciones en el terreno.6. Menor consumo especifico de explosivo al reflejarse de forma más eficiente la onda de choque en el

pie del banco, y posibilidad de aumentar la dimensión del retiro con menor riesgo de aparición de

repiés.

7. En minería de carbón, no se produce sobre trituración de este durante la voladura del estéril.

8. Mayor rendimiento de la perforación por unidad volumétrica arrancada.

Fig. 7.3. Ventajas de la perforación inclinada

Por el contrario existen inconvenientes en a perforación inclinada a saber:

1. Desviación de los barrenos cuando estos tienen grandes profundidades.

2. Aumento de la longitud de perforación.

3. Maniobras de posicionamiento de los equipos de perforación más exigentes.

4. Mayor supervisión repercutiendo en los tiempos de producción.

5. Disminución de la energía de empuje de las perforadoras, por lo que en rocas duras el avance esta

limitado al ángulo de inclinación de la torre de la perforadora.

6. Mayor desgaste de los elementos de corte en las perforadoras, lo que se traduce en una menor

disponibilidad mecánica de los equipos.

7. Para excavadoras de cables, una mejor altura de la pila repercute en su rendimiento.

8. Mayor dificultad en la evacuación del detritus de perforación, requiriendo mayor caudal de barrido.

9. Dificultades en la carga de los barrenos con explosivo en especial en barrenos con presencia de agua.

Relación entre Voladura y Carguío: El logro de un mejor resultado en la fragmentación del macizo rocoso

influye positivamente en el rendimiento de los equipos de carguío. Esto ocurre principalmente por ocupar

menores tiempos en la remoción de bolones desde la frente, en la mayor facilidad que tiene la pala para

cavar el material, y por el incremento en el factor de llenado del balde.

Esquema de Perforación: En las voladuras en banco, los esquemas utilizados son en cuadrado (Ver

Figura 7.4) ó rectangular debido a la facilidad del replanteo en el emboquille, no obstante el esquema mas


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efectivo es el denominado tresbolillo (Ver Figura 7.5), y el mejor de estos es el que replantea barrenos en

forma de triángulos equiláteros.

Si se considera un esquema

cuadrado, como en la Figura 7.4, de4,50 metros de lado, el punto mas

alejado y equidistante de los cuatro

barrenos se encuentra a 3,18mt de

distancia, en el caso de un esquema

Tresbolillo con triángulos equiláteros

como en la Figura 7.5, la malla

equivalente es de 4,20 x 4,80mt y el

centro del triangulo esta a una

distancia de los barrenos de 2,79mt.Fig. 7.4. Esquema de perforación cuadrado

Como la caída de la tensión producida por la onda de choque es proporcional al cuadrado de la distanciaen el punto equidistante de los

barrenos con esquema cuadrado se

registrara un 23% menos de energía

que es el esquema al tresbolillo

equivalente.

En rocas blandas, los resultados

con esquemas cuadrados son

buenos, y no es necesario disponer

de barrenos en tresbolillo.

Fig.7.5. Esquema de perforación tresbolillo

Geometría del Frente Libre: la geometría del frente mas efectiva es aquella en la que cada punto de esa

superficie equidista del centro de la carga del explosivo, con pequeñas cargas esféricas, esta situación se

presenta en las rocas (voladura secundaria), donde con una pequeña carga confinada en el barreno se

consigue la rotura con unos pocos consumos que llegan a ser bajos del orden de 80 – 100 gr/m3. Sin

embargo en voladuras de producción con cargas cilíndricas las condiciones difieren y son necesarias

mayores cantidades de explosivo. La geometría del frente mas efectiva se consigue:

1. Disponiendo la cara libre y los barrenos de forma que sean paralelos o formen el ángulo mas

pequeño posible.

2. Estando la roca próxima a la superficie algo fracturada por las voladuras precedentes.

3. Diseñando una secuencia de encendido en la que cada barreno disponga de un frente que forme

una superficie semicilíndrica convexa o biplanar.

En el caso de voladuras subterráneas, en los cueles de los túneles o cuando se abren chimeneas

disparando barrenos contra un frente libre cóncavo, la fragmentación y el desplazamiento se consiguen

con grandes dificultades, esto explica que la distancia desde los primeros barrenos a dichos huecos

sean mas pequeñas que las que se precisarían disponiendo de una cara libre plana o biplanar (Ver

Figura 7.6)


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En cuanto a las condiciones del frente

este debe encontrarse limpio y sin repiés,

realizando antes de la voladura las

labores auxiliares necesarias. Cuando sedispara un banco perforado teniendo aun

sin cargar material de una voladura

anterior que se apoya sobre el frente

libre, los problemas que pueden aparecer

son los que se mencionan a

continuación:

Fig. 7.6. Voladura de una chimenea

1. Se generan mayores intensidades de vibración, más sobreexcavaciones y riesgos de

inestabilidad.

2. Se precisa un esquema más cerrado y un mayor consumo especifico de explosivo para

obtener el mismo grado de fragmentación y esponjamiento que con el frente descubierto.

3. Es probable la aparición de repiés con un aumento en los costos de carga y necesidad de

realizar voladuras secundarias.

Para eliminar alguno de estos problemas se recomienda iniciar la voladura desde un área alejada del

frente cubierto y diseñar la secuencia de encendido con una dirección de salida paralela a dicho frente.

Tamaño y Forma de la Voladura: El tamaño de la voladura debe ser tan grande como sea posible, pues

se consiguen las siguientes ventajas:

1. Disminución de los tiempos improductivos de los equipos de perforación y cargas, de las

operaciones de replanteo, de los tiempos de trabajo del personal, etc…

2. Menor longitud porcentual de la zona perimetral de las voladuras, donde se produce una

fragmentación mas deficiente debido a:

La mayor dificultad de establecer esquemas regulares.

Riesgos de encontrar bloques reformados en voladuras anteriores.

Escape prematuro de los gases por las grietas existentes, y

Mayor tiempo de supervisión y control que implica en si la voladura.

En general, la fragmentación en voladuras múltiples es menor que en las de una sola fila, también en

voladuras de minerales metálicos en labores subterráneas dan mejores resultados.

La forma de la voladura debe ser tal que:

Con un frente libre la relación Longitud de Frente / Anchura (LV/AV) sea mayor de 3.

Con dos frentes libres, las voladuras deben diseñarse con LV/AV > 2.

En contraposición, los inconvenientes de voladuras con filas múltiples son:

Aumento de la intensidad de las vibraciones y onda aérea producidas, por lo que en algunos

casos, como en zonas pobladas o próximas a trabajos de voladuras, no es recomendable.


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Aparición de sobreexcavaciones (back break) y proyecciones en las ultimas filas si no se ha

disparado con una secuencia correcta.

En rocas muy blandas, reducción en la bonificación del volumen arrancado por sobreexcavación aldisminuir el número de voladuras.

Volumen de Expansión Disponible: Cuando la roca se fragmenta se produce una reducción del volumen,

si el barreno en que se expande el material en menor al 15% del volumen de este, los mecanismos de

rotura se verán afectados negativamente y los fragmentos de roca tenderán a entrelazarse dando como

resultado un apelmazamiento o confinamiento de estos.

En voladuras subterráneas de gran tamaño, se recomienda que el volumen de expansión disponible sea

mayor al 25% para conseguir un flujo adecuado de la roca hacia los puntos de carga y evitar la formación

de campanas colgadas (material amontonado en el frente volado).

En túneles y galerías si el barreno del cuele es de un volumen pequeño, se produce un fenómeno desinterización o deformación plástica del material finamente volado, siempre que sea posible se recomienda

que el volumen de expansión sea mayor al 15% del propio volumen del cuele. Caso excepcional en

voladuras donde no se dispone de barrenos vacíos, el empuje de la roca se conseguirá a expensas de

aumentar la carga específica en dicha zona.

Configuración de las Cargas: Cuando los barrenos sean de pequeña longitud se recomiendan columnas

continuas de explosivos, pero si los barrenos son de gran longitud, la mejor relación costo/efectividad se

obtendrá con cargas espaciadas. Haries y Hagan (1979), han demostrado que la tensión de una carga

detonada aumenta cuando la relación I/ Øb se incrementa de 0 a 20, permaneciendo constante a partir de

ese valor.

De esta forma, empleando la relación I/Øb = 20, se

obtendrá la fragmentación máxima y se alcanzara el valor

óptimo del Burden, si esas cargas son iniciadas en los

puntos medios se producirá una intensa fragmentación en

las zonas hemiesféricas de cada uno de los extremos, por

lo que se ha visto que una carga continua con I/Øb = 52 no

es mejor que la espaciada con I/Øb = 20, y un retacado (T)

de 12Øb, como se puede apreciar en la Figura 7.7. Sin

embargo el empleo de cargas espaciadas, puede afectar

adversamente al rendimiento de las palas de ruedas como

consecuencia del menor desplazamiento y esponjamiento

del material.Fiig. 7.7. Columnas de cargas continuas

Y espaciadas

Donde este problema no es un condicionante, el interés por este tipo de configuración de cargas dependerá

de la diferencia entre el ahorro potencial de explosivo y el tiempo, grado de complejidad y costos de iniciación

añadido a la columna seleccionada.

El atractivo por el empleo de cargas espaciadas se vera reflejado en el aumento en los costos de los

explosivos, el retacado puede mecanizarse y cuando las vibraciones constituyan una limitación y sea preciso

disminuir las cargas operantes mediante la selección y secuenciado del explosivo dentro de un mismo


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barreno. En Obras a cielo abierto, la altura de banco mínima para aplicar cargas espaciadas de forma

efectiva debe ser tal que H/ Øb > 70.

En voladuras donde la litología del terreno,presenta una relación de diaclasas y fisuras en la

roca de cuidado y donde se producen grandes

bloques procedentes de la zona de Retacado, es

recomendable utilizar cargas puntuales, como se

puede observar en la Figura 7.8.

También cuando la perforación es vertical y el

horizonte rocoso de la zona de retacado, es de

mayor resistencia que el resto del banco, se

aconseja perforar barrenos de descarga o

auxiliares, que ayuden a conseguir una mejor

fragmentación, estos barrenos por regla general

deben hacerse entre los barrenos principales, a

Fig. 7.8. Empleo de cargas puntuales en lazona de retacado (t)

una profundidad no mayor a 40Øb y con secuencia de salida instantánea al barreno de la fila

inmediatamente posterior en la voladura.

Desacoplamiento de las Cargas: La curva Presión – Tiempo de los gases de la explosión (Ver Tema 3),

puede controlarse para un explosivo encartuchado con dos técnicas conocidas como desacoplamiento y

espaciamiento de las cargas. El primero consiste en dejar un espacio vació o relleno con material inerte entre

la carga y la pared del barreno (Ver Figura 9.1 Pto. # 8). La segunda se basa en dividir la carga por medio de

separadores de aire (Air back), conos o material poroso.

Al emplear desacoplamiento del 65 al 75%, se demuestra que en algunas rocas se mejora la fragmentación yuniformidad de la granulometría, disminuyéndose el porcentaje de la voladura secundaria entre 2 y 10 veces,

así como el consumo especifico de explosivo y la intensidad de las vibraciones.

La presión efectiva de los gases sobre las paredes del barreno con cargas desacopladas o espaciadas viene

dada por la formula:

2,1

Vb

Ve PB PBe

Donde:

PB = Presión de Barreno

Ve = Volumen del Explosivo

Vb = Volumen del Barreno

En la actualidad, la tendencia para controlar la curva de presión, consiste en emplear un explosivo a granel alque se le añade un material diluyente en la proporción adecuada, este método es menos laborioso, mas

efectivo y económico y se esta aplicando con profusión en las voladuras de contorno.

Explosivos: La elección de un explosivo para una determinada operación, requiere una cuidadosa atención

tanto de las propiedades de la roca que se desea fragmentar como de los explosivos disponibles en el

mercado.


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Cuando se arrancan rocas masivas, casi toda la superficie especifica del material se crea en la voladura y los

explosivos adecuados son los de mayor potencia y velocidad de detonación, que producen una alta presión

de barreno, para rocas intensamente fracturadas o estratificadas en las que la superficie total de las

discontinuidades representa un área relativamente mayor que la que se crea en la voladura, en estos casoslos explosivos de baja densidad y VOD son los mas eficientes.

Fragmentar la roca, lograr su esponjamiento para mejorar la carga con un buen rendimiento en el acarreo

son necesarios; en cada caso se debe determinar el equilibrio entre la Energía de Tensión (ET) y la Energía

de los Gases (EB), cada explosivo define estas energías dependiendo del diámetro de las cargas, de la

densidad y del sistema de iniciación. En este orden, las emulsiones poseen alta ET y aplican en rocas

masivas duras y en las situaciones donde no es requerido un máximo desplazamiento. Si en una detonación

se producen muchos finos por efecto de la trituración de la roca, se deben emplear los ANFOS o agente de

voladura de baja densidad o en casos las mezclas con sustancias inertes.

Distribución de los Explosivos en el Barreno: En voladuras en banco (Figura 8.9), la energía necesaria

para que se produzca la rotura de la roca, no es constate en toda su altura. En efecto la energía generada

por el explosivo debe superar la resistencia a trac ción de la roca en la sección (CDD`C`) y la resistencia

resistencia a cizallamiento en la sección (A`B`C`D`).

Como la resistencia a Cizallamiento es superior a

la resistencia a tracción, es preciso emplear una

distribución de cargas selectiva, de forma que la

energía específica en el fondo del barreno sea de

2 a 2,5 veces superior a la energía de la columna.

Esto significa que deben emplearse explosivos de

gran densidad y potencia en la carga de fondo y

explosivos de baja densidad en la carga de

columna.

La carga de fondo debe tener al menos una

longitud de 0,6B para que su centro de gravedad

este por encima o a la misma cota que el piso del

banco. Según Langefors, prolongar la carga de

fondo por encima de una longitud igual al valor del

Burden no contribuye apreciablemente al efectoFig. 7.9. Distribución del explosivo en un barreno

de rotura en el plano en el pie del banco, por lo que la carga inferior debe estar comprendida entre 0,6 a

1,3B. Para cargas cilíndricas alargadas en explotaciones mineras a cielo abierto de gran diámetro (299 -

415)mm, se ha extendido el uso de cargas continuas de ANFO a granel, mezclas (Emulsión/ANFO) y enalgunos casos cargas selectivas constituidas en el fondo por ANFO Aluminizado, Hidrogeles o emulsiones

con longitudes de 8 a 16D.

En los casos donde se empleen cargas selectivas, se pueden dar las siguientes ventajas:

1. Aumento en el rendimiento de la perforación como consecuencia de un esquema más amplio y la

menor longitud de sobreperforación.


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2. Mejora la rotura en el fondo, eliminando los problemas de repiés y favoreciendo la operación de

carga de escombros.

3. Disminución en los costos de perforación y voladura, especialmente en rocas duras.

4. Baja en el consumo especifico de explosivos debido a un mejor aprovechamiento del mismo.

Consumo Específico de Explosivos: La cantidad de explosivo necesario para fragmentar 1m3 o 1t de roca

es el parámetro conocido como Consumo Especifico (CE). Este parámetro no constituye la mejor ni única

herramienta para diseñar las voladuras, a no ser que se refiera a un explosivo patrón o se exprese como

consumo energético, fundamentalmente porque la distribución espacial del explosivo en el barreno perforado

en el macizo rocoso tiene una gran influencia sobre el resultado de las voladuras.

El CE de las voladuras se incrementa con:

1. El aumento del diámetro de los barrenos, la resistencia de la roca y el grado de fragmentación,

desplazamiento y esponjamiento requerido.

2. Con una mala distribución de la carga, disminución de la resistencia a la eyección del retacado, disparo

contra un frente libre cóncavo biplanar o cubierto de escombros, relación Longitud/Altura inadecuada y

tiempo efectivo de retardo inadecuado.

Cuando se utilizan barrenos paralelos al frente libre y esquemas triangulares equiláteros iniciados con

secuencias en V1 o V2 los consumos específicos serán menores.

Los CE altos además de proporcionar una buena fragmentación, desplazamiento y esponjamiento de la roca,

dan lugar a menores problemas de repiés y ayudan a alcanzar el punto óptimo de los costos totales de

operación (Perforación, Voladura, Carga, Transporte y Trituración).

TIPO DE ROCACONSUMO ESPECIFICO

(Kg/m3)

▪ Rocas masivas y resistentes

▪ Rocas de resistencia media

▪ Rocas muy fracturadas, alteradas

o blandas

0,60 – 1,50

0,30 – 0,60

0,10 – 0,30

En la Tabla podemos ver los valores típicos del CE en diversas clases de rocas para voladuras en banco a

cielo abierto. Para voladuras subterráneas el CE puede variar entre 0,90 – 7 kg/m3, dependiendo del tipo de

roca, superficie libre, diámetro el barreno y tipo de cueles.

Iniciación y Cebado de Cargas: Para un tipo de explosivo, mediante el empleo de iniciadores o cebos

(Booster minero), puede variarse el equilibrio entre la ET y la EB desarrolladas durante la voladura, paraadecuarse a las características resistentes y estructurales de la roca. También cuando se desea aumentar la

tensión en un tramo de la roca mas dura dentro del área de influencia de un barreno, pueden colocarse

iniciadores en esos niveles.

Tiempos de Retardo y Secuencias de Encendido: Los tiempos de retardo entre barrenos y las secuencias

de encendido juegan en las voladuras un papel muy importante puesto que pueden disminuir las cargas

operantes y por consiguiente los niveles de vibración producidos y hacer que se consiga una mayor


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efectividad de los mecanismos de rotura y control sobre el desplazamiento de la roca, la sobreexcavación,

los repiés y las proyecciones.

Perforación Especifica (PS): Se define por Perforación Especifica, el volumen o la longitud de los barrenos

perforados por una unidad de volumen de roca, al igual que sucede con otros parámetros de diseño, la

Perforación Especifica es función de la volubilidad de las rocas. La expresión que sirve para calcular la

Perforación Especifica (PS) en m/m3 es:

H S B

J

H

PS

cos

cos

Donde:

H = Altura de Banco (mt)

J = Sobreperforación (mt)

B = Burden o Retiro (mt)

S = Espaciamiento (mt)

β = Anglo de los barrenos con respecto a la vertical (grados)

Calidad de la Perforación: Este punto será tocado en el tema 1, por lo que podemos revisar lo relativo a los

errores a que se incurre en la perforación tales como:

1. Errores en el replanteo de los barrenos.

2. Errores de inclinación y de dirección.

3. Errores de desviación.

4. Errores en la profundidad de los barrenos.

5. Efectos de la desviación de los barrenos en la práctica: para determinar estos valores se puede tomar

como criterio guía la siguiente ecuación, para estimar la precisión de la perforación cuando se utilizan

accesorios adecuados a las longitudes de los barrenos:

Lr b

s

000.1

2

Donde:

s = Desviación típica (mt) de la desviación del barreno de longitud L (mt)

r = 0,03 para barrenos verticales

0,04 para barrenos inclinados

L = Longitud del barrenos (mt)

Øb = Diámetro del barrenos (mm)

6. Control de las desviaciones de los barrenos: actualmente se utilizan herramientas para ejercer control

en las desviaciones como; sistemas de brújulas magnética-clinómetro, clinómetro químico de ácido,

Girocompás y Sistemas de dos Clinómetros.


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7.2. TERMINOLOGÍA

Términos usados en Explosivos y Voladuras.

Abolladura: Roca sin fragmentar dentro del contorno final.

Aceleración: Unidad de vibración del terreno en g (1g = 9,81 mm/seg2).

Adit: Entrada horizontal a la mina.

Agente de voladura: Explosivo insensible a iniciación sin el uso de un multiplicador.

Alto explosivo: Cualquier explosivo sensible a un detonador no 8 que reacciona en forma

supersónica.

Altura de arco: Altura del hastial al punto más alto del techo del túnel.

Altura del hastial: Altura del piso del túnel al hastial.

Aluminio: Metal usado como combustible o agente sensibilizador en explosivos y Agentes de

voladura: Aumenta el contenido energético.

Amplitud: Ver desplazamiento. ANFO: Agente de voladura a base de nitrato de amonio y fuel oil.

rea de voladura: rea cercana a una voladura influenciada por proyección y/o concusión.

Avance: Excavación horizontal subterránea en roca, longitud excavada del túnel por cada

disparo.

Balance de oxígeno: Estado de equilibrio de una mezcla de combustibles y oxidantes donde los humos

residuales de la detonación son principalmente dióxido de carbono, vapor de agua y

Nitrógeno libre.(humos inocuos).

Banco inferior: Banco subterráneo volado del desarrollo horizontal superior.

Banco: Escalón de roca horizontal.

Barreno de alivio: Barreno grande central en un cuele paralelo.

Barreno de bloque: Barreno para cargas pequeñas.Barreno de carga: Barreno perforado en roca para colocar explosivos.

Barrenos de contorno: Barrenos perimetrales de una excavación.

Barrenos facilitadores de cuele: Barrenos cercanos al cuele usados para alargar la abertura formada por el cuele.

Barro explosivo: Explosivo acuoso de alta densidad que contiene nitrato de amonio, sensibilizado por

un combustible y llevado a una consistencia gelatinosa. También se llama gel de

agua.

Bloque: Roca sobredimensionada para ser volada.

Boca: Abertura de un barreno en el tope.

Bola de caída: Peso de acero suspendido por una guaya usado para romper bloques por impacto.

Booster: Carga de alto explosivo usado para intensificar la reacción del explosivo y aumentar la

estabilidad de detonación. También se le conoce como reforzador, multiplicador o

primer.

Brisancia: Propiedad relacionada directamente con la velocidad de detonación del explosivo.

Cable de conexión: Cable que une los detonadores eléctricos con el cable de disparo o para usos de

extensión.

Cable de disparo: Cable que conecta el frente a la fuente.

Cámara: Fondo del barreno que se ensancha con cargas explosivas pequeñas permitiendo la


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colocación de cargas mayores.

Cara del túnel: Cara de la roca al final del túnel.

Cara: Superficie de roca contra la que se dispara.

Carga base: Carga explosiva principal de un detonador.

Carga de columna: Carga de explosivo o agente de voladura en la sección de columna y sobre la Carga

de fondo.

Carga de concusión: Carga superficial para volar bloques.

Carga de fondo: Carga concentrada en el fondo del barreno.

Carga especifica: Consumo de explosivos por metro cúbico de roca.

Cartucho de cebo: Cartucho que contiene el detonador.

Cartucho: Contenedor del explosivo en forma rígida o semirígida.

Cebado axial: Sistema de cebado de agentes de voladura donde el núcleo del cebo se extiende a

través de la columna de agente de voladura.

Circuito de voladura: Circuito eléctrico usado para disparar uno o más detonadores eléctricos.

Cobertor de voladura: Dispositivo de protección para evitar proyecciones como cauchos, maderos, tela,

guayas o lonas.

Conector de retardo: Dispositivo de retardo para cordón detonante.

Cordón detonante: Cordón con núcleo de alto explosivo de cubierta plástica o trenzada con recubrimiento

de cera usado para iniciar cargas explosivas.

Corte en " V ": Corte de túnel en forma de v. también llamado corte de cuña.

Cortes: Parte de barrenos cargados sin detonar, mayormente debido a influencia de la

detonación de barrenos con retardos menores.

Cuele de barreno paralelo: Cuele de túnel donde todos los barrenos son paralelos y perpendiculares a la cara de

la roca. el (los) barreno(s) sin carga es (son) normalmente mayores que los barrenos

de carga.

Cuele en abanico: Cuele para voladura de túneles donde los barrenos se perforan en forma de abanico.

Cuele quemado: Cuele de barrenos paralelos cercanos. uno o varios de los barrenos no llevan carga.

Cuele: Apertura de un túnel que proporciona la cara libre necesaria.

Cuello: Distancia del tope de la carga de columna a la boca del barreno. se llena con material

de retacado.

Decibel: Unidad de presión de sonido para medir ondas aéreas.

Deflagración: Reacción explosiva rápida subsónica.

Densidad de carga: Densidad del explosivo expresado en términos de kilogramos de explosivo por metro

lineal de barreno para un diámetro específico.

Densidad: Peso específico de un explosivo expresado en gramos por centímetro cúbico.

Desplazamiento: Unidad de vibración de terreno (altura de deflexión en mm).Detonación prematura: Cuando la carga detona antes de lo previsto.

Detonación: Reacción explosiva supersónica que crea una onda de choque de alta presión, calor y

gases.

Detonador corriente: Detonador también llamado común o simple. se usa únicamente en conjunción con la

mecha de seguridad.

Detonador de ½ seg: Detonador de retardo con intervalos de 0.5 seg entre números subsecuentes.

Detonador de milisegundo: Detonador de retardo corto con menos de 100 milisegundos de retardo entre números


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subsecuentes.

Detonador de retardo: Detonadores eléctricos o no-eléctricos con retardos incorporados.

Detonador eléctrico: Detonador diseñado para ser iniciado por una corriente eléctrica.

Detonador instantáneo: Detonador carente e elementos de retardo.

Detonador: Dispositivo que contiene una carga detonante usada para iniciar un explosivo.

Detrito: Polvo de roca que se forma durante la perforación.

Diámetro crítico: Diámetro mínimo de un explosivo para que se propague con una detonación estable.

Diario de voladura: Diario de campo que contiene toda la información de cada voladura.

Dinamita: Alto explosivo inventado por Alfred Nobel . Cualquier alto explosivo que contiene

nitroglicerina como sensibilizador.

Dinamitero: Persona calificada para cargar una voladura.

Disparador: Persona que ejecuta la voladura. el o ella tiene el control de la operación de voladura

con autoridad para decidir cargas, patrones de retardo, etc.

Distancia escalada: Relación utilizada para predecir vibraciones del terreno.

Electricidad extraña: Energía eléctrica diferente a la corriente de encendido que constituye un peligro para

detonadores eléctricos. se presenta en forma de electricidad estática, relámpagos,

corrientes erráticas, radio frecuencia y energía inductiva y capacitiva.

Emulsión: Explosivo con oxidantes que se disuelven en agua y rodeados de combustibles

inmiscibles.

Energía de burbuja: Energía de los gases que se expanden de un explosivo medido en una prueba

subacuática.

Escaleo: Proceso de limpieza de la superficie rocosa de material suelto después de la

voladura.

Escarificado: Remoción de la sobrecapa.

Espaciamiento: Distancia entre barrenos de una fila.

Esponjamiento: Diferencia de volumen de un material de su estado sólido a cuando está fracturado.

Explosión: Proceso termoquímico en el cual reaccionan mezclas de gases, sólidos o líquidos con

la formación casi instantánea de presión y temperatura.

Explosivo a granel: Explosivo usado en masa sin empaques.

Explosivo primario: Explosivo sensible a chispa, fricción, impacto o llama que se usa en un detonador

para iniciar la explosión.

Explosivo: Mezcla química que al reaccionar forma gases y calor a alta velocidad ocasionando

altas presiones.

Explosor: Máquina expresamente diseñada para iniciar detonadores eléctricos u otros tipos de

detonadores.

Falla de disparo: Carga o parte de ella que no se inició de acuerdo a lo planeado.Falla: Grietas naturales en la roca.

Fisuras: Planos en la masa rocosa que los separan.

Fragmentación: Acto de fracturar la roca, así como la distribución de los tamaños de partícula de la

roca volada.

Frecuencia: Unidad de vibración del terreno (períodos por segundo).

Frente: Grupo o serie de barrenos que conforman una voladura cuando son interconectados.

Fuel oil: Combustible residual diesel.


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Fuga de corriente: Arqueo de la corriente de ignición a tierra o agua.

Galvanómetro: Aparato que mide la resistencia u ohnímetro.

Grano: Sistema de medida de peso. 7000 granos equivalen a una libra (15400 granos = 1

kg). se usa para expresar el gramaje del cordón detonante en granos/pie. 50

granos/pie son aproximadamente 10 g/m.

Hastial: Sección de un túnel donde se encuentra la pared y el techo.

Hertz: Término usado para expresar la frecuencia de vibraciones de terreno y onda aérea.

Humos: Gases tóxicos o venenosos provenientes de una voladura.

Iniciación: Acto de detonar un explosivo por medio de un detonador o un multiplicador.

Iniciador de mecha de seguridad: Dispositivo pirotécnico para encender la mecha de seguridad.

Intervalo: Diferencia en tiempo de retardo entre detonadores.

Levantadores: Barrenos en un túnel que rompen en forma ascendente.

Línea de menor resistencia: Distancia de la carga explosiva de un barreno a la cara libre más cercana. También

se llama retiro.

Línea descendente: Línea de cordón detonante en un barreno que transmite la iniciación de las Líneas

troncales a la carga de fondo.

Línea troncal: Línea de cordón detonante usado para conectar las líneas descendentes en un frente

de voladura.

Material suprayacente: Consiste en la capa de estéril que está por encima de una mena. en voladuras de

construcción representa la capa superior a ser removida.

Mecha de seguridad: Núcleo de pólvora negra cubierto con hilos y materiales impermeables usado para

iniciar detonadores corrientes.

Mecha engargolada: Mecha de seguridad con un detonador simple.

Mecha rápida: Mecha pirotécnica que se utiliza para encender la mecha de seguridad con un

conector apropiado.

Medidor de circuito: Instrumento para medir los circuitos de una voladura eléctrica.

Microbalones: Esferas huecas de vidrio o plástico que se añaden a los materiales explosivos para

aumentar su sensibilidad asegurando un contenido adecuado de aire entrampado. en

emulsiones explosivas, los microbalones actúan de esta forma.

Milisegundo: Unidad de medida de intervalos de retardo cortos iguales a 1/1000 seg.

Monóxido de carbono: Gas venenoso producto de la detonación de explosivos con insuficiencia de oxígeno.

Muerte por presión: Explosivo que se desensibiliza por presión.

Nitrato de amonio (AN): Oxidante más común usado en explosivos y agentes de voladura.

Nitroglicerina: Aceite explosivo usado originalmente como sensibilizador de las dinamitas.

Nivelado: Voladura de bancos bajos donde la altura del banco es menor que el doble del retiro

(2xb).Ohnímetro: Se usa para chequear la resistencia de un detonador eléctrico, detonadores en serie y

paralelo y la resistencia total del circuito, debe ser aprobado por las autoridades para

ser usados en operaciones de voladuras.

Onda aérea: Onda de choque resultante de una detonación, puede ser causada por movimiento de

roca o expansión de gases.

Oxidante: Componente de un explosivo o agente de voladura que proporciona el oxígeno que se

combina con el combustible para formar los productos gaseosos de la detonación.


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Patrón de perforación: Distancias entre barrenos en un túnel o banco. la línea de menor resistencia y el

espaciamiento se expresan en metros y el diámetro de los barrenos en mm.

Perforación en línea: Método para controlar sobrerompimiento. Consiste en barrenos perforados con

espaciamientos muy pequeños a lo largo del perímetro de la excavación, estosbarrenos no se cargan con explosivos.

Perforación específica: Metros perforados por metro cúbico de roca (ml/m3).

Pie: Porción de un barreno intacto después de una voladura, puede contener explosivo y

se considera peligroso.

Pila: Disposición del material de roca volada en el frente del banco.

Plan de voladura: Indica plan de perforación, carga, iniciación y medidas de seguridad en una voladura.

Polvorín: Edificación especialmente diseñada para almacenar explosivos y otros materiales

afines.

Potencia en volumen: Potencia de un volumen dado de explosivo comparado con un volumen equivalente

de gelatina explosiva.

Potencia por peso: Potencia de un explosivo de peso conocido comparado con un peso equivalente de

gelatina explosiva.

Pozo ascendente: Túnel o pozo que se excava de un nivel inferior a uno superior con una inclinación de

por lo menos 45º.

Pozo descendente: Pozo subterráneo que se excava verticalmente y hacia abajo.

Precorte: Voladura de barrenos con espaciamientos cortos a lo largo del perímetro de la

excavación. se dispara antes de la voladura principal.

Presión de detonación: Presión creada por la detonación a través de la columna explosiva.

Prill: Esfera porosa de nitrato de amonio usado para la fabricación de ANFO.

Probador de fuga de corriente: Aparato para detectar fugas.

Propagación: Detonación de cargas explosivas por impulso de cargas cercanas.

Proyección: Proyección de roca no deseada en una voladura.

Puente de incandescencia: Filamento de cable fino dentro de la masa pirotécnica iniciadora del detonador

eléctrico.

Resistencia al agua: Habilidad del explosivo de permanecer expuesto al agua sin deteriorarse o

desensibilizarse.

Retacado: Material inerte que se usa para confinar los gases generados por la carga, también

llamado taco.

Retacador: Palo de madera o plástico usado para retacar.

Retacar: Comprimir el explosivo de un barreno.

Sensibilidad al detonador: Sensibilidad de un explosivo a ser iniciado por un detonador no 8 o fracción de éste.

Sensibilizador: Ingrediente usado en un explosivo para facilitar su iniciación y propagación dedetonación.

Sensitividad: Susceptibilidad del explosivo a ser detonado al recibir un impulso externo como

impacto, llama o fricción.

Series de perforación: Series de barras integrales en las cuales la punta decrece 1 mm por cada incremento

de 0.8 m en la longitud de la barra.

Simpatía: Detonación entre cargas o barrenos separados.

Sobreperforación: Parte de la perforación por debajo del nivel de piso esperado.


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Sobrepresión de aire: Ver onda aérea.

Sobrerompimiento: Fractura excesiva de roca más allá del contorno teórico, roca fragmentada más allá

de los límites de la última hilera de barrenos.. También es llamado Back break

Tiempo de retardo: Tiempo entre la iniciación y la detonación.

Tiempo de vida: Lapso de tiempo que un explosivo puede ser almacenado sin perder sus propiedades.

Tormenta eléctrica: Disturbio atmosférico que crea peligro en operaciones de voladura con detonadores

eléctricos.

Transmisión: Distancia mínima a la cual un explosivo puede hacer detonar a otro.

Túnel de acceso: Túnel de la superficie al desarrollo subterráneo.

Túnel: Excavación subterránea horizontal.

Velocidad de detonación

confinada:

Velocidad de un explosivo o agente de voladura bajo confinamiento en barreno o un

tubo de hierro.

Velocidad de detonación no

confinada:

Velocidad de detonación de un explosivo sin estar confinado en un barreno u otro

medio de confinamiento.

Velocidad de detonación: Velocidad a la cual la onda de detonación viaja a través de la columna explosiva. se

puede medir con la carga confinada y sin confinar.

Velocidad de partícula: Medida de vibración del terreno. velocidad a la cual la partícula del terreno vibra

cuando es alcanzada por una onda sísmica.

Velocidad de propagación: Velocidad de la onda de choque del terreno.

Velocidad de vibración: Unidad de vibración de terreno en mm/seg.

Vibración del terreno: Onda de choque que emana de una voladura y se transmite al medio circundante.

Visión externa o Look out: Angulado de los barrenos de contorno de un túnel por afuera del contorno teórico

para dejar espacio al equipo de perforación para el siguiente ciclo.

Voladura amortiguada: Técnica de voladura para obtener pendientes competentes en voladura de bancos.

Voladura con retardos: Uso de detonadores o relés de retardo para disparar cargas separadas a intervalos

diferentes.

Voladura controlada: Técnica usada para control de sobrerompimiento y daños colaterales a la superficie

de roca remanente.

Voladura cuidadosa: Operación donde es necesario controlar proyecciones, vibración del suelo y ondas de

choque aéreas.

Voladura de banco: Voladura de un banco con al menos dos caras libres.

Voladura- Od: Tipo de perforación y voladura a través del material suprayacente, usado

generalmente en voladuras subacuáticas. las siglas significan overburden drilling.

Voladura secundaria: Voladura de bloques sobredimensionados producto de la voladura principal.

Voladura suave: Método de voladura controlada en la cual se perforan barrenos poco espaciados en elperímetro de la excavación y llenados con cargas bajas para reducir el

sobrerompimiento, estos barrenos perimetrales son disparados con un retardo mayor

que el resto del frente.

Voladura: Detonación de explosivos para fragmentar roca.

Web: Masa de roca entre barrenos de precorte.


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CAPITIULO VIII

8. . EXPLOSIVOS.

La rotura de un macizo rocoso empleando explosivos, consiste en la utilización de un medio físico paradisponer de una energía bajo unas características químicas concentradas y muy particulares, que se alojan en

cantidades de unidades de peso adecuadamente distribuidas en el interior del macizo rocoso de tan manera que

al ser liberada esta energía de forma controlada en espacio y tiempo pueden lograr la fragmentación de dicho

macizo.

Un concepto generalizado en el medio minero, es el dispuesto por Berthelot, “La repentina expansión de

los gases en un volumen mucho más grande que el inicial, acompañada de ruidos y efectos mecánicos violentos”

Los tipos de explosión son:

Mecánicos.

Eléctricos Nucleares y

Químicos, siendo estos los de interés para este tema

8.1. DEFLAGRACIÓN Y DETONACIÓN

La naturaleza propia de una sustancia como la forma de iniciación y condiciones externas, que gobierna

el desarrollo de un proceso de descomposición de una sustancia explosiva, a saber:

Combustión Propia: Se define como la reacción química con la capacidad de desprender o generar calor,

pudiendo ser o no percibido por el humano.

Deflagración: Es un proceso exotérmico en el que la transmisión de la reacción de descomposición se rigebajo el principio de conductividad térmica, se trata de un fenómeno superficial en el que el frente de

deflagración se propaga por la superficie del explosivo en capaz paralelas a una velocidad baja que por lo

general no supera los 1.000m/seg.

Detonación: Es un proceso físico-químico caracterizado por su gran velocidad de reacción y formación de

gases en grandes cantidades a temperaturas elevadas, que adquieren una gran fuerza expansiva. La

cesión por conductividad del calor generado en una detonación por las moléculas gasificadas de un

explosivo al alcanzar su velocidad máxima, no es posible, sino que es transmitida a las demás moléculas

por choque a la zona inalterada de carga, deformándola y produciendo su calentamiento y explosión

adiabática con generación nuevos gases.

La energía de iniciación en los explosivos deflagrantes o pólvoras puede ser una llama, mientras que en los

explosivos detonantes, se requiere de una energía en forma de onda de choque.

Una vez hincado el explosivo, se genera una onda de choque a presión que se propaga a través de su

masa, esta onda da la energía necesaria para activar las moléculas de la masa del explosivo alrededor del

foco iniciador de energetizado, provocando así una reacción en cadena.


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El explosivo que reacciona produce una gran cantidad de

gases a altas temperaturas, esta actúa sobre la masa que

aun no ha detonado en forma de una presión secundaria,

su efecto se suma al de la onda de presión primaria,pasando de un proceso de deflagración a otro de

detonación, (Como se puede ver en la Fig. 8.1).

En el caso en que la onda de presión de los gases actúe en

sentido contrario a la masa del explosivo sin detonar, se

produce un régimen de deflagración lenta, ralentizándose la

reacción explosiva de tal manera que al ir perdiendo

energía la onda de detonación primaria llega en casos a ser

incapaz de energizar al resto de la masa de explosivoFigura.8.1.Desarrollo de una Detonación

masa de explosivo, produciéndose la detención de la detonación, en estos casos los barrenos quedan

cargados siendo un peligro para la seguridad de las demás actividades en la mina o cantera, incluso en obrasciviles.

8.2. PROCESO DE DETONACIÓN

La detonación consiste en la propagación de una reacción química que se mueve a través del explosivo

a una velocidad superior a la del sonido en dicho material, transformando a este químicamente, caracterizando

esta reacción por la iniciación y soportada por una onda de choque supersónica.

El proceso de iniciación del explosivo se genera en la cabeza del explosivo, viajando la onda de choque

primaria a todo lo largo de lo que se denomina zona de reacción, determinando el plano llamado de Chapmant-

Jouguet (C-J), donde se admite el equilibrio químico; por detrás del plano C-J, se producen reacciones químicas

importantes, particularmente de las partículas de gran tamaño y de los combustibles metálicos. Estas reacciones

secundarias pueden afectar el rendimiento del explosivo, pero no influyen en la velocidad de detonación y en la

estabilidad de la reacción. En un explosivo normal la zona de reacción primaria esta sujeta al diámetro del mismo,

del orden de milímetros, este es el caso de los Booster o iniciadores, mientras que en los explosivos de baja

densidad y potencia esta zona es mucho mas extensa, como en el caso del ANFO, que llega a alcanzar el

diámetro del barreno.

Por detrás del plano C-J, se encuentran los productos de reacción, y en casos existen partículas inertes,

generándose productos como gases a altas temperaturas del orden de (1500 - 4000)ºc, y presiones por el orden

de (2 - 10)GPa. Los gases bajo estas condiciones de P y T, se expanden rápidamente y producen una onda de

tensión alrededor de la zona que les rodea. El plano C-J se mueve a muy alta velocidad (VOD), mientras que la

velocidad de los productos de explosión, determinada por Cook mediante un método fotográfico de rayos X,alcanza un valor de 0,25 la Velocidad de Detonación, si se tienen los siguiente fundamentos:

UpVODe PD

Nota: 1MPa = 145,037 lbf/in²

Donde;

PD = Presión de Detonación (kPa)

ρe = Densidad del explosivo (gr/cm³)

VOD = Velocidad de Detonación (m/s)

Up = Velocidad de Partícula (m/s)

INICIACIÓN

DETONACIÓN

TRANSICIÓN

DEFLAGRACIÓN

TIEMPO (Tf)

VR


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Y teniendo en cuanta que Up = 0,25 x VOD, se obtiene:

4

2

VODe PD

Donde;

PD = Presión de Detonación (MPa)

ρe = Densidad del explosivo (Kg/m³)

VOD = Velocidad de Detonación (m/s

La Presión Termoquímica o presión máxima disponible para efectuar un trabajo (PE), se considera que

vale la mitad de la Presión de Detonación (PD), si por el contrario la carga explosiva se encuentra en contacto con

la pared del barreno, la presión ejercida sobre la misma por los gases de explosión es igual a la Presión

Termoquímica.

Para iniciar un explosivo, es necesario suministrar un determinado nivel de energía por unidad de

volumen en un punto del explosivo, una de las teorías que explica el mecanismo de iniciación es la denominada

Teoría de los Puntos Calientes o “Hot Spots”, que son pequeños element os de materia donde se encuentra la

energía aportada al explosivo, estos se pueden formar por compresión adiabática de pequeñas burbujas de aire,gas o vapor, retenidas dentro del explosivo, por fricción entre los cristales constituyentes de la sustancia explosiva

y por el calentamiento producido en el movimiento de la masa explosiva en condiciones extremas. Se estila

colocar micro esferas de vidrio, partículas sólidas o de aire, para sensibilizar a algunos agentes explosivos.

8.3. TERMOQUÍMICA DE LOS EXPLOSIVOS

Esta se refiere a los cambios de energía interna, en forma de calor, la energía almacenada en un

explosivo se encuentra en forma de energía potencial, latente o estática. La energía potencial liberada a través

del proceso de detonación se transforma en energía cinética ó mecánica.

La Ley de Conservación de la Energía, establece que en cualquier sistema aislado la cantidad total de

energía es constante, aunque su forma puede cambiar:

ENERGIA POTENCIAL = ENERGIA CINETICA = CONSTANTE

Pero no toda la energía e transforma en trabajo útil ya que se generan algunas perdidas. Es frecuente

hacer un calculo teórico basado en el conocimiento de las leyes físico-químicas, para predecir las propiedades de

los explosivos ó parámetros del a detonación. Un calculo aproximado se puede hacer con aquellos explosivos con

un balance de Oxigeno nulo o muy ajustado, con los que en la detonación ideal solo se produce CO2, H2O, N2 y

O2, es en estos casos donde se aplica el Método de Análisis Termodinámico, cuando el explosivo no tiene un

balance de oxigeno equilibrado, determinar los parámetros de detonación del explosivo se hace complejo y no es

mas sino con el empleo de ecuaciones no lineales que se pueden conseguir.

8.4. PARÁMETROS DE DETONACIÓN DEL EXPLOSIVO

Los parámetros termoquímicos más importantes y el método simplificado de cálculo se exponen

seguidamente:

Calor de Explosión: Cuando se produce una explosión a presión constante, solo se ejerce un trabajo de

expansión o compresión. La primera Ley de la Termodinámica establece que:


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V P UeQe

Donde;

Qe = Calor Liberado por la Explosión

Ue = Energía Interna del explosivo

P = PresiónV = Volumen

Como Ue + P x V, se refiere al calor contenido o Entalpía (Hp), entonces Qe = ΔHp, asi el calor de

explosión a presión constante es igual al cambio de entalpía, y se estima estableciendo el balance térmico de

la reacción, haciendo el producto de los calores de formación de los productos finales por el número de moles

que se forman de cada uno y sumándolos, para restar al calor de formación del explosivo.

ΔHp(explosivo) = Hp(productos) - Hp(explosivo)

Si se considera al ANFO, se tendrá:

3NH4O3 + 1CH2 = CO2 + 7H2O + 3N2

Hp(explosivo) = 3(-87,3) + (-7) = 268 kcal

Hp(productos) = (-94,1) + 7(-57,8) + 3(0) = - 498,7 kcal

Qmp = ΔHs(explosivo) = - [(-498,7)+ 268,9] = 229,8 kcal

Como el peso molecular del explosivo (Pm), es:

Pm = 3(80,1) + 1(14) = 254,3

El calor de explosión que resulta es:

Qkp = ( 229,8 kcal ÷ 254,3 gr ) x 1000 gr/kg = 903,7 kcal/kg

El calor a presión constante no tiene interés técnico, pues el proceso de detonación tiene lugar a

volumen constante, de este modo para calcular este hay que incrementar el calor a presión constante con el

calor consumido en la expansión adiabática:

npg QmpQmv 58,0 Donde;

npg = Número de moles de los productos gaseosos

Si se desea determinar el calor desprendido por kilogramo de explosivo, tenemos:

Qkv = ( 229,8 kcal + [11 x 0,58]) x 1000 gr/kg = 928,74 kcal/kg

254,3gr

Si existen productos sólidos entre los de explosión (SiO2, Al2O3, carbonatos, cloruros, etc..), se invierte

calor de la reacción en su fusión, en la primera fase, por tanto el calor total consumido, no es mas que la

diferencia del total del calor menos el producido para lograr la fusión de los productos de los componentes

sólidos del explosivo.

Balance de Oxigeno: Salvo la Nitroglicerina (NG) y el Nitrato de Amonio (NA), la mayoría de los explosivos

son deficientes en oxigeno, pues no disponen de suficiente oxigeno para convertir un átomo de carbono e


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hidrogeno en dióxido de carbono y agua. No es usual que un explosivo utilice oxigeno atmosférico durante el

proceso de detonación, por lo que el calor que genera la explosión de un producto deficiente en oxigeno, es

menor que el generado en condiciones de oxidación completa.

En los casos donde la deficiencia de oxigeno esta presente esta se denota de forma negativa, en

algunos explosivos la potencia, la sensibilidad y el poder rompedor aumentan conforme lo hace el balance de

oxigeno, hasta alcanzar un máximo en un punto de equilibrio.

Así para en Trinitrotolueno (TNT), se tiene:

2CH3C6H2 (NO2)3 12C0 + 2CH4 + H2 + 3N2

Se necesitan 16,5 moles de O2, para alcanzar el equilibrio de oxigeno de 2 moles de TNT u 8,25 moles

de O2 por mol de TNT. El balance de oxigeno de la reacción será:

100% [(3,00 ÷ 8,25) x 100] = 63,6%, expresado como - 63,6%

En explosivos con balance de oxigeno positivo, el oxigeno disponible se combina con los átomos de

carbono y producen CO2, y óxidos de nitrógeno, algunos con tonalidades de color rojo. Los humos rojos en

una detonación indican un déficit de combustible en la reacción, que se puede deber a una mezcla o perdida

de combustible. Cuando el balance de oxigeno es negativo, se forman óxidos incompletos como el CO, que

es venenoso e incoloro. Los gases nitrosos se reducen mucho, por lo que los explosivos se formulan con un

pequeño balance de oxigeno negativo.

Volumen de Explosión: Es el volumen que ocupan los gases producidos por un Kilogramo de explosivos en

condiciones normales. El volumen molecular en condiciones normales es 22,4 lt.

Así para en Nitroglicerina (NG), se tiene:

4C3H5 (NO3)3 12CO2 + 10H2O + 6N2 + O2

La explosión de 1,00gr/mol de NG, genera (29/4 = 7,25 gr/mol) de productos gaseosos a 0°c y a presión

atmosférica, por lo que el volumen de explosión será:

7,25 gr/mol x 2,4 lt/gr-mol = 162,4 lt

A una temperatura mayor los volúmenes de gases aumentan de acuerdo a la Ley de Gay-Lussac, si

consideramos un incremento de 10°c, se tiene:

162,4 lt x [283x 273] = 171,3 lt

Por regla general el volumen de explosión se expresa en términos de moles de gas por kilogramo de

explosivo, a saber:

Pmnexnpq

000.1

Donde;

npg = Moles de los productos gaseosos

nex = Moles de explosivos

Pm = Peso molecular del explosivo

Energía Mínima Disponible: Se entiende como la cantidad de trabajo que realizan los productos gaseosos

de una explosión cuando la presión permanece constante a 1Atm.


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Tomando como ejemplo la NG que al detonar produce un incremento del volumen molecular alrededor

del 700%, mientras que la presión resistente se mantiene constante. La ecuación diferencial para el trabajo de

expansión (We) es:

dl FedWe Donde;Fe = Magnitud de la Fuerza

d l = Elemento de distancia a través de la que se aplica

la fuerza

Como la Fuerza es igual a la Presión por unidad de superficie, puede escribirse:

d We = P x As x d l

Al ser (As x d l) el cambio de volumen experimentado por los productos gaseosos, ya que p es

constante se tiene:

12 V V P We Donde;

We = Trabajo de expansión

P = Presión resistente (1Atm)V1 = Volumen de explosivo

V2 = Volumen de los gases de explosivo

Como el volumen V1 es despreciable vs V2, la cantidad de trabajo disponible viene dada por:

2V P We

Temperatura de la Explosión: La temperatura absoluta en cualquier caso de combustión viene dada por la

formula:

cemr Qkv

Te

Donde;

Qkv = Calor total desprendido a volumen constante

mr = Peso en kg de cada producto de la reacción

ce = Calor especifico a la temperatura Te

Como ce = f (Te), donde, ce = a-(b/Te), de esta manera se puede establecer que:

cemr

bmr QkvTe

La función ce = a-(b/Te), de los productos de explosión son:

Del vapor de agua……………….(0,943 – 1.153/Te) kcal/kg

Del nitrógeno……………….…… (0,234 – 49,0/Te) kcal/kg

Del oxigeno sobrante……………(0,212 – 34,4/Te) kcal/kg

Del óxido de carbono……………(0,943 – 1.153/Te) kcal/kg

Del anhídrido carbónico…………(0,290 – 87,8/Te) kcal/kg

Presión de Explosión: Para los gases perfectos se cumple la igualdad P x V = R x Te, pero para los gases

reales se debe aplicar la Ley que recibe el nombre de Noble y Abel:

e

eTe R P

1, de donde:

La coaccionado


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e

eTeVk P

12003526,0 , para ά = 0,92 x [1 – 1,07 x e-1,39 x V3]

Esta ecuación considera V (volumen del barreno aproximado al volumen del cartucho de explosivo en la

primera fase de la explosión)

8.5. PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS

Los explosivos convencionales y los agentes explosivos tienen características que los diferencian y los

caracterizan y que son aprovechados por los explosivistas en la correcta selección de estos de acuerdo al tipo

de voladura que se desea realizar bajo condiciones muy particulares del terreno, atmosféricas y de

estructuras aledañas. La fragmentación y desplazamiento del material rocoso que se desea volar están

sujetos a la buena selección de los explosivos, además de las condiciones físicas del terreno como la

generación de vibraciones y ondas sísmicas.

Potencia y Energía: La potencia es una de las propiedades mas importantes ya que definen la cantidad de

energía disponible para la generación de un efecto mecánico. Existen diferentes formas de expresar la

potencia de un explosivo, cuando la dinamita era el explosivo base, la potencia se media de acuerdo al

porcentaje de Nitroglicerina (NG), con la sustitución parcial de esta por otros productos y la ejecución de

ensayos de laboratorio se dio origen a la expresión Potencia Relativa en Peso (Relative Weight Strength o

RWS) y Potencia Relativa por Volumen (Relative Bulk Strength o RBS), para lo cual se toma como patrón al

ANFO, al cual se le asigna el valor 100.

Existen entonces varios métodos para medir la potencia o la energía de un explosivo, todos ellos

discutibles si son comparados con los resultados obtenidos en una voladura, a saber podemos comentar:

Método Traulz: Determina la

capacidad de expansión que produce la

detonación de 10 gr de explosivo en el

interior de un bloque cilíndrico de plomo.

La diferencia entre el volumen total obtenido

y el volumen inicial de 62cm3 del valor de

Traulz real, como lo demuestra la Fig. 8.2

Cuando se compara el volumen con el

producido por 7 gr de ácido pícrico se

obtiene el denominado Índice de Traulz. Figura 8.2. Ensayo Traulz

Mortero Balístico: Consiste en comparar la propulsión de un mortero de acero montado sobre un

péndulo balístico por efecto de los gases cuando se hace detonar una carga de 10 gr de explosivo. El

índice T.M.B se calcula con la ecuación:

T.M.B =100 x

cos1

cos1


27/88



Donde ά y β son los ángulos registrados en el retroceso del péndulo, correspondiente al explosivo a

ensayar y al explosivo patrón. Ambos procedimientos descritos no pueden ser aplicados en pruebas

sobre ANFO o explosivo a base de agua (hidrogeles), debido a que el diámetro pequeño que se utiliza

en el péndulo (20cm) y en el método de Traulz (25mm), son inferiores al diámetro critico de estosexplosivos, el retacado de 2cm n Traulz es insuficiente ya que es proyectado por los gases que se

generan con estos explosivos, en el mortero la carga debe estar desacoplada y ante todo, estas

pruebas se adecuan a explosivos sensibles a la iniciación con detonadores y los tiempos de reacción

son pequeños.

Método de Aplastamiento de un

Cilindro: Este método define el poder

rompedor de un explosivo, que esta

relacionado con la capacidad de

fragmentación del a roca, por medio del

aplastamiento que produce una carga

sobre un molde cilíndrico de metal.Existen varios métodos pero el de Hess

es el mas empleado.

Como se puede observar en la Fig. 8.3.,

este ensayo refleja bien la energía de la

onda de tensión que esta ligada a la

presión de detonación

Figura 8.3. Ensayo Hezz

Formulas Empíricas:

1. La formula sueca propuesta para determinar el RWS de un explosivo es:

RWS =

Vgo

Vg x

Qo

Qe x

6

1

6

5

Donde:

Qo = Calor de explosión de 1 Kg de explosivo

LFB (5 MJ/kg) en condiciones normales de

Presión y Temperatura

Qe = Calor de explosión de 1 Kg de explosivo a

emplear

VGo = Volumen de los gases liberado por 1 kg de

explosivo LFB (0,85 m3/kg)

VG = Volumen de los gases liberado por el

explosivo a emplear

Como en algunos casos la potencia se refiere al ANFO, primero se puede calcula la potenciarespecto al explosivo patrón LFB y el valor que se obtiene dividirlo entre 0,84 que es la RWS del

ANFO con respecto a dicho explosivo, el ANFO tiene valores de Qe = 3,92 MJ/kg y VG = 0,973

m3/kg.

2. Paddock (1987) sugiere comparar los explosivos mediante el denominado Factor de Potencia

(FP), definido por:


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eVOD PAP FP Donde;

PAP = Potencia Absoluta en Peso del Explosivo (x) (cal/gr)

VOD = Velocidad de Detonación (mt/seg)

ρe = Densidad del Explosivo (gr/cm3)

Si es tomado el ANFO como explosivo patrón, se cumple:

PAP ANFO = 890 cal/gr

PAV ANFO = PAP ANFO x ρe = 890 x 0,82 = 730 cal/cm3

Velocidad de Detonación: Es la velocidad a la que la onda de detonación se propaga a través del explosivo

y por lo tanto es el parámetro que define el ritmo de liberación de energía. Dentro de los factores que

podemos mencionar que afectan la VOD, tenemos:

o Densidad de la Carga

o El Diámetro

o El Confinamiento

o La Iniciación, y

o El Envejecimiento del Explosivo

Para los tres primeros, conforme aumentan estos parámetros, la VOD resultante crece significativamente. En

cuanto a la iniciación, si no es lo suficientemente energética puede hacer que el régimen de detonación

comience con una velocidad baja y respecto al envejecimiento, este hace que la VOD disminuya al verse

afectado el volumen y numero de las burbujas de aire presentes en el explosivo, en especial en las

emulsiones, ya que son generadores de puntos calientes. Los valores de VOD pueden ser medidos con los

siguientes métodos:

Método D'Autriche: Este método compara la VOD de un explosivo de prueba vs la VOD conocida del

cordón detonante. El procedimiento consiste en tomar el cordón detonante con una determinada

longitud y marcar el punto medio del mismo, que debe ser coincidente con una marca realizada sobre

una plancha de plomo, posteriormente se insertan los extremos del cordón dentro del explosivo a una

distancia d . ( Fig. 8.4 ). La carga de explosivo alojada en un tubo metálico, es iniciada en un extremos

con un detonador.

Como la onda de choque energiza a su vez en

instantes de tiempo diferentes al cordón

detonante, la colisión del tren de ondas en

ambos extremos del tubo tiene lugar sobre la

plancha de plomo a una distancia (a) del punto

medio del cordón, asi la VOD se determina con

la formula:

VODe =a

d VODc

2

Figura 8.4. Método D'Autriche

Monitor BMX: Blastronics en Australia desarrollo este monitor, consistiendo en una tarjeta de datos

(CAD) que registran las señales eléctricas producidas por un sensor, este puede estar formado por


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acelerómetros, sensores de presión o geófonos; Para medir la VOD, se utiliza un accesorios llamado

Blastronics VOD, un PC que forman parte del sistema integral de medición y de registro de los datos.

Como sensor de VOD se emplean cables cinta de 24 conductores, que generan 23 señales de mediciónde VOD por barreno, estos cables tienen una longitud activa de 10,50 mt de un total de 30 a 100 mt, los

sensores tienen una separación en el cable de 0,50 mt.

Sistema con Sensor de Alta Resistencia: Esta basado en el principio de resistencia eléctrica y

consiste en utilizar un generador de corriente constante para mantener una corriente de intensidad

uniforme a todo lo largo de un sensor de alta resistencia. Los cambios de voltaje asociados con los

cambios de resistencia contando el sensor es consumido por el avance de la detonación son

registrados por un osciloscopio. Al ser la corriente constante a todo lo largo del evento, los cambios de

tensión serán proporcionales a los de resistencia. Conocida la caída total de voltaje y la resistencia por

unidad de longitud del sensor, se puede determinar la VOD del explosivo mediante la interpretación de

la pendiente del grafico Voltaje vs Tiempo.

Para mediciones en columnas explosivas de gran diámetro y longitud, se ha desarrollado un cable

sensor coaxial que permite la aplicación de este método a barrenos de producción. La resistencia del

hilo de conductor de microbio es constante y viene especificada de fábrica.

Monitor de Fibras Ópticas: El principio de operación consiste en medir el intervalo de tiempo en que

que la luz que acompaña al frente de detonación del

explosivo tarda en pasar por los sensores de fibra

óptica, uno de los sistemas que existen en la

actualidad es el desarrollado por Kontinitro AG, casa

Alemana que se especializa en dispositivos demedición de señales. ( Ver Fig. 8.5 )

Figura 8.5. Método de Fibras pticas

Densidad: La densidad de la gran mayoría de los explosivos varia entre (0,80 – 1,60) gr/cm3, y al igual que

con la VOD, mientras mayor es, mayor es el efecto rompedor del explosivo. En los explosivos tipo agentes la

densidad puede ser un factor critico, puesto que al ser bajas son sensibles al cordón detonante que los

comienza a iniciar antes de la detonación del multiplicador o cebo, pero si esta es muy alta pueden hacerse

insensibles y no detonar. Esta densidad límite se llama Densidad de Muerte.

La densidad de un explosivo es muy necesaria para poder desarrollar el calculo de las cantidades de

explosivo a utilizar en una voladura, por regla general en el fondo del barreno que es donde se requiere mayor

concentración de energía para el arranque de la roca, se emplean explosivos mas densos, como los booster y

las emulsiones encartuchadas, mientras que en la columna de carga se requieren explosivos menos densos

como el ANFO, los pulverulentos o las mezclas de Emulsión/ANFO.

La concentración lineal de carga (ql), en un barreno de diámetro (Øb), y una densidad (ρe), se calcula a partir

de la formula:


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2410854,7 be xQl

Donde;

Ql = Concentración lineal de carga (kg/m)


Øb = Diámetro de carga (mm)

Cuando los barrenos tienen una gran longitud, suele presentarse un fenómeno de variación de la densidad del

explosivo a lo largo de la columna, como consecuencia de la presión hidrostática.

Presión de Detonación: La presión de detonación de un explosivo es función de su densidad y del cuadrado

de su VOD y se mide en el plano C-J, de la onda de detonación cuando se propaga a través de la columna de

explosivo. Esta también depende de los componentes con los que esta elaborada, una formula que permite

estimar este parámetro es:

PD =

e

VODe x

8,01

104322

6

Donde;

PD = Presión de Detonación (MPa)

ρe = Densidad del Explosivo (gr/cm3)VOD = Velocidad de Detonación (m/s)

Los explosivos industriales tienen una PD que varia de 500 a 1500 MPa. Para la fragmentación de rocas

duras y competentes, el empleo de un explosivo con alta PD, efectúa el trabajo más fácilmente, debido a la

relación de esta y los mecanismos de rotura de la roca. Para la medición de la PD en los explosivos se utilizan

censores que son colocados dentro del explosivo, a saber:

Sensores de Presión: Estos se utilizan para medir presiones producidas por golpes de aire, ondas de

choque bajo el agua, ensayos de impacto y otros efectos dinámicos en donde la magnitud del evento es

relativamente pequeña comparada con las presiones generadas en el frente de detonación. Los

sensores mas empleados son de cuarzo, ya que este mineral posee propiedades piezoeléctricas,respondiendo a solicitaciones externas generando una señal en forma de cargas eléctricas, se emplean

para medición de magnitudes no mayores a 25KBar. La magnitud de la presión de detonación de un

explosivo llega hasta los 400 KBar, un ANFO esta en el orden de 60 – 70 KBar. , para poder medir

estos valores se han desarrollado sensores piezoresistivos (g rafito, manganin, etc..)l

Ensayos en Piscina: El método consiste en colocar un extremo de un ci lindro de explosivo en contacto

con el agua dentro de una piscina, valiéndose de técnicas fotográficas (cámaras Streak), se mide la

VOD del explosivo simultáneamente con la velocidad de la onda de choque en el agua (Vsw), esta

ultima entre la superficie de contacto del explosivo con el agua, se utilizan relaciones derivadas de las

leyes físicas de transición y reflexión de ondas de choque de un medio a otro, empleando la formula:

Pd=

Vsww

VODwVsww Pw

2

Donde;Pd = Presión de Detonación (MPa)

Pw = Presión transmitida al agua

ρw = Densidad inicial del agua


VOD = Velocidad de Detonación (m/s)

Vsw = Velocidad inicial de la onda de choque

transmitida al agua


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Estabilidad: Los explosivos deben ser químicamente estables y no descomponerse en condiciones

ambientales normales. Un método de determinar la estabilidad en mediante la prueba Abel, que consiste en el

calentamiento de una muestra durante un tiempo determinado y a una temperatura especifica, observando el

momento en que se inicia su descomposición. Por ej. la NG tarda 20 min a 80°c para descomponerse.

La estabilidad de los explosivos es una de las propiedades que se encuentran íntimamente relacionados con

el tiempo de fabricación y almacenamiento, para que las demás propiedades no se vean mermadas al ser

empleadas en los trabajos de voladura.

Resistencia al Agua: Esta propiedad esta referida a

Manual de Perforación y Voladura. Tema 2, 3 y 4 Variables, Explosivos y Mecanica

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