Actualmente, existe una amplia gama de explosivos disponible para diferentes usos. La selección de un explosivo para una tarea en particular se basa en dos criterios principales: las características del ambiente donde se desarrollará la tronadura y las características que permiten que el procedimiento se lleve a cabo en la forma esperada.
Selección de un explosivo según características ambientales
En la selección de un explosivo es importante considerar las características del ambiente, ya que lo fundamental es que éste funcione segura y confiablemente bajo las condiciones ambientales donde se va a usar. Los factores por considerar para seleccionar el explosivo adecuado son:
La sensibilidad
Es la característica de un explosivo de propagar la reacción a todo lo largo de la carga. Conforme a la sensibilidad del explosivo se puede definir y controlar el diámetro mínimo para usos prácticos.
Una forma de determinar la sensibilidad es definiendo el "diámetro crítico" de un explosivo. Éste corresponde al diámetro mínimo en que un compuesto explosivo detona confiablemente. Puede variar bastante de un compuesto a otro y depende del diámetro de perforación.
La sensibilidad mide también la capacidad del explosivo para propagar la reacción de cartucho a cartucho, asumiendo que el diámetro es superior al diámetro crítico. Se puede expresar como la distancia máxima de separación (en centímetros) entre un cartucho cebado y uno sin cebar donde la transferencia de la detonación ocurrirá.
El diámetro de perforación definido para un proyecto específico determina el diámetro máximo de la carga de columna, el que debe ser mayor al diámetro crítico del explosivo por usar en ese pozo."Por lo tanto, seleccionar con anticipación ciertos diámetros de perforación permite eliminar desde un comienzo algunos productos explosivos.
Resistencia a la temperatura
Las temperaturas extremas de almacenamiento pueden afectar el desempeño de los productos explosivos. A altas temperaturas de almacenamiento, es decir, a más de 32,2 °C, muchos compuestos se descomponen lentamente o cambian sus propiedades.
Ciclado del nitrato de amonio
La fórmula química del nitrato de amonio es NH4NO3. En relación con su peso, aporta más volumen de gas en la detonación que cualquier otro explosivo. En estado puro, el nitrato de amonio (NA) es casi inerte y su composición por peso es de 60% de oxígeno, 33% de nitrógeno y 7% de hidrógeno. Al agregar el diesel, la reacción con balance de oxígeno ideal para el NA es: 3NH4NO3 + CH2 ------> 3N2 + 7H2O +CO2.
Dos características hacen a este compuesto impredecible y peligroso. El nitrato de amonio es soluble en agua y si no tiene un recubrimiento repelente a ella, puede absorberla de la humedad ambiente y disolverse lentamente. Por esta razón, las pequeñas esferas o perlas tienen un recubrimiento protector de arena silícea pulverizada, que ofrece alguna protección contra el agua. La segunda y más importante característica es un fenómeno llamado ciclado, que es la habilidad de un material para cambiar la forma de sus cristales con las variaciones de la temperatura.
El nitrato de amonio tendrá una de las siguientes cinco formas de cristales, dependiendo de la temperatura:
Rango de temperatura (º C)
Tipo de cristales
Sobre 125
Isométricos
84,4 a 125
Tetragonales
32,2 a 84,4
Ortorrómbicos
-18 a 32,2
Pseudotetragonales
Menor a -18
Tetragonales
El fenómeno del ciclado puede afectar seriamente tanto el almacenamiento como el desempeño de cualquier explosivo que contenga nitrato de amonio. La mayoría de las dinamitas, tanto las a base de nitroglicerina como las permisibles, contienen algún porcentaje de nitrato de amonio, mientras que los agentes explosivos se componen casi en su totalidad de este compuesto.
Las temperaturas a las cuales ocurre el ciclado en condiciones normales son -18 °C y 32,2 °C. Esto significa que los productos que se almacenan durante el invierno y por períodos largos durante el verano, sobre todo en áreas de clima extremo, sufrirán diferentes grados de ciclado. En el verano, en un polvorín con poca ventilación o en un silo de almacenamiento con exposición directa al sol, la temperatura de ciclado puede alcanzarse con facilidad. El efecto del ciclado en el nitrato de amonio cuando éste se encuentra aislado de la humedad ambiente es que las perlas se rompen en partículas cada vez más finas.
Las consecuencias por efecto del ciclado pueden ser mayores, ya que la calidad del producto (nitrato de amonio) se pierde por aglomeración de prills o poca capacidad de absorber el petróleo, lo que implica que la reacción química no libera la cantidad de energía necesaria para el fracturamiento. Además, en estos casos lo más probable es que se generen gases no deseados, dado que la reacción química no es la correcta.
Almacenamiento del nitrato de amonio
Las perlas (prill) están formadas por cristales pseudotetragonales. Cuando la temperatura sobrepasa 32,2 °C cada cristal se rompe en cristales ortorrómbicos más pequeños. Al bajar nuevamente la temperatura, los pequeños cristales se rompen en cristales más finos aún, manteniendo una forma pseudotetragonal. Este proceso puede continuar hasta que la densidad aumente más allá de 0,8 g/cm3, alcanzando valores cercanos a 1,2 g/cm3. Este incremento en la densidad puede hacer que el producto contenga más energía por unidad de volumen.
Resistencia al agua
Es fundamental conocer la resistencia al agua de un explosivo. Esta es la habilidad que éste tiene para soportar el contacto con el agua sin sufrir deterioro en su desempeño. Los productos explosivos tienen dos tipos de resistencia al agua:
Resistencia interna, que es dada por la composición misma del explosivo. Por ejemplo, algunas emulsiones pueden ser bombeadas directamente al pozo lleno de agua, desplazándola hacia arriba pero sin mezclarse con ella ni mostrar deterioro si se disparan en un tiempo razonable.
Resistencia externa, que es dada por el envoltorio o cartucho dentro del que se coloca el material. Por ejemplo, el ANFO no tiene resistencia al agua interna, pero al colocarlo dentro de una manga plástica, puede mantenerse seco y se desempeña satisfactoriamente. En este caso, es la manga la que le provee la resistencia al agua que viene del exterior.
Los fabricantes de explosivos pueden describir la resistencia al agua de los explosivos de dos formas: usando términos cualitativos como excelente, buena, regular o mala, y en casos en que las condiciones de agua son severas, de acuerdo con el tiempo de exposición a ella, usando números del 1 al 4.
De acuerdo con las descripciones cualitativas, si hay agua en las operaciones de tronadura, específicamente en las perforaciones, se puede seleccionar un explosivo catalogado como "regular", el que se debe disparar lo más pronto posible después de cargado.
Si el explosivo va a estar en contacto con el agua un tiempo considerable, por ejemplo 8 horas, se seleccionan explosivos catalogados como "bueno".
Si las condiciones de agua son severas y el tiempo de exposición es significativo (tiempos mayores a 8 horas), un responsable de tronaduras prudente debe seleccionar un explosivo con una excelente resistencia al agua. Los explosivos con mala resistencia al agua no deben usarse en pozos húmedos.
Este es el método más comúnmente utilizado en las hojas técnicas de los fabricantes.
Utilizando los rangos numéricos de la resistencia al agua se tienen las siguientes clases que indican la tolerancia del explosivo al agua:
Clase Resistencia al deterioro (horas) Ejemplo
1 72 Amongelatina
2 48 Emulsión envasada sensibilizada
3 24 Emulsión de pequeño diámetro
4 12 Dinamita semigelatinosa
En general, el precio de un explosivo está directamente relacionado con la resistencia al agua.
La habilidad para permanecer sin cambios ante presiones estáticas altas se conoce como tolerancia a la presión de agua. Algunos compuestos explosivos se densifican y desensibilizan con las presiones hidrostáticas que se dan en pozos muy profundos. Una combinación de otros factores como clima frío y cebos pequeños también contribuye al fracaso de una tronadura.
Vapores
Los vapores de explosivos corresponden a gases liberados a la atmósfera como producto de la detonación.
Las clases de vapores de un explosivo se miden de acuerdo con la cantidad de gases tóxicos producidos en el proceso de detonación, dentro de los cuales los principales son el monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno.
El color de estos vapores entrega información acerca de la tronadura. Por ejemplo, si el color de los vapores luego de una tronadura es café rojizo o amarillo, puede indicar que la detonación ha sido poco eficiente, posiblemente a causa del deterioro del explosivo por el agua. Esta situación se puede remediar si se utiliza un explosivo con mayor resistencia al agua o si se usa un empaque externo de mejores características.
Aunque la mayoría de los agentes explosivos están cercanos al balance de oxígeno, reduciendo al mínimo los vapores y optimizando la liberación de energía, siempre se generan vapores.
En las operaciones de superficie, especialmente en cortes muy profundos o zanjas, la producción de vapores y su retención pueden ser peligrosas para el personal asignado a este trabajo.
Algunas condiciones de tronadura pueden producir vapores tóxicos incluso cuando el explosivo esté balanceado de oxígeno. Estas pueden ser un insuficiente diámetro de la carga, inadecuada resistencia al agua, deficiente cebado (primado) y pérdida prematura del confinamiento.
El dióxido de carbono no es estrictamente un gas venenoso, pero su producción en grandes cantidades ha causado muchas muertes en tronaduras en áreas confinadas. El CO2 detiene el funcionamiento de los músculos con movimiento involuntario del cuerpo, por ejemplo, el corazón y pulmones. Una concentración del 158% o más en volumen, puede provocar muerte por asfixia.
Como el dióxido de carbono tiene densidad de 1,53 g/cc, tiende a estancarse en los sitios más bajos de la excavación o donde haya poco movimiento. Una solución práctica al problema es usar aire comprimido para diluir cualquier alta concentración posible.
2. Selección de un explosivo según características de desempeño
Para seleccionar un explosivo, éste debe ser el que resulte más eficiente y económico para producir los resultados finales deseados. Para ello se deben considerar los siguientes factores:
Flamabilidad
La flamabilidad es un aspecto importante desde el punto de vista del almacenamiento, transporte y uso, ya que hay materiales que explotan debido sólo a una chispa, mientras otros pueden ser quemados sin llegar a explotar.
Por esta razón, hay explosivos que siendo muy económicos, han perdido mercado.
Durante las dos últimas dos décadas, los productos explosivos, en general, se han vuelto menos flamables. Sin embargo, hay que evitar la sensación de falsa seguridad, y tratar a todos los compuestos explosivos como altamente flamables.
Sensitividad
Los explosivos requieren muy poca energía para detonar. Se dice que son de alta sensitividad y viceversa. Por ejemplo, el fulminante estándar número 8 hará detonar la dinamita que requieren algunas emulsiones encartuchadas, pero es importante destacar que un fulminante por sí solo no inicia la reacción del ANFO u otros agentes de tronadura. Para detonar confiablemente se utilizan cebos con un fulminante.
Velocidad de detonación
La velocidad de detonación (VOD) es la velocidad a la que ocurre la reacción química entre el combustible y el oxidante, y se genera a lo largo de la columna del explosivo. Tiene un rango de 1.500 a 7.500 m/s para los explosivos de uso industrial. La VOD puede utilizarse como una herramienta que determina la eficiencia de una reacción explosiva.
Presión de detonación
Esta es resultado casi instantáneo del movimiento de la onda de choque a través del explosivo. La presión de detonación está relacionada con la densidad del explosivo y la velocidad de detonación, siendo esta última un factor relevante en la presión de detonación liberada por el explosivo.
Densidad
Este parámetro es muy importante, ya que los explosivos se compran, almacenan y utilizan en base al peso. La densidad se expresa normalmente como gravedad específica, que relaciona la densidad del explosivo con la densidad del agua, y determina el peso de explosivo que puede cargarse dentro de una perforación.
La densidad de un explosivo se usa comúnmente como herramienta para calcular la presión de detonación y los parámetros de diseño de las tronaduras (burden, espaciamiento). Por ejemplo, se utiliza la llamada densidad de carga, que corresponde al peso de explosivo, para una longitud de carga y un diámetro determinados. En términos generales, se puede decir que a mayor densidad, mayor es la energía liberada que tiene el producto.
Potencia
El término potencia se refiere al contenido de energía de un explosivo, que, a su vez, es la medida de la fuerza que puede desarrollar y su habilidad para hacer trabajo de fragmentación de la roca. La potencia ha sido clasificada por varios fabricantes sobre la base de un peso o volumen, y comúnmente se le llama potencia en peso y potencia en volumen.
Cohesividad
La cohesividad se define como la habilidad de un explosivo para mantener su forma original. Hay ocasiones en que el explosivo debe mantener su forma original y otras en que debe fluir libremente. Por ejemplo, cuando se hacen tronaduras en rocas muy fragmentadas y agrietadas, definitivamente se debe utilizar un explosivo que no fluya hacia las grietas, sobrecargando el pozo. Por el contrario, en otras aplicaciones, tales como el cargado a granel, los explosivos deben fluir fácilmente y no atascarse en la perforación ni formar huecos en la columna explosiva.
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