Manual Practico de Voladura EXSA

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    11-Aug-2015

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MANUAL PRACTICO DE VOLADURA

Edicin especialLa Lnea ms Completa para Voladura Das Komplette Sprengstoffprogramm The Most Complete Blasting Line

INDICE

INDICEPgina

3 9 23 33 49 63 71 81 99

PRESENTACION CAPITULO 1Explosivos Generalidades Mecnica de rotura

CAPITULO 2Clasificacin de los explosivos

CAPITULO 3Caractersticas y propiedades de los explosivos

CAPITULO 4Rocas Clasificacin (Resumen) Caractersticas Propiedades mecnicas

CAPITULO 5Geologa y sus efectos en voladura

CAPITULO 6Perforacin

CAPITULO 7Cebado o primado de explosivos Carga de taladros en superficie y subsuelo Carguo mecanizado en superficie

CAPITULO 8Mtodos de iniciacin Iniciacin con mecha de seguridad Iniciacin con cordn detonante Iniciacin con sistema elctrico (convencional y secuencial) Iniciacin con detonadores no elctricos de retardo Comentarios prcticos sobre los sistemas iniciadores

5

INDICE

145

CAPITULO 9Voladura de rocas Voladura de bancos en superficie. Fundamentos Voladura convencional, mtodo prctico, canteras y tajos Trazos y salidas Voladura de crter. Generalidades Voladura de gran proyeccin: Cast Blasting. Generalidades Voladura de subsuelo. Fundamentos Tneles, galeras, chimeneas y piques. Diseo bsico Mtodos de minado subterrneo. Generalidades Voladura de taladros largos. Generalidades Voladuras especiales. Voladura de tapn

205 221 247 263 283

CAPITULO 10Rotura secundaria Voladura secundaria. Plastas y cachorros Cargas conformadas

CAPITULO 11Voladura controlada y amortiguada Voladura controlada en superficie Voladura controlada en trabajos subterrneos Voladura amortiguada: Air deck Voladuras controladas especiales

CAPITULO 12Voladura en obras viales Cortes a media ladera y trincheras Voladura de gran volumen por gravedad

CAPITULO 13Voladura en agricultura y habilitacin de suelos Irrigaciones, zanjas y canales Explotacin forestal y aurfera. Eliminacin de tocones Hoyos para postes, pilotaje y plantones

CAPITULO 14Voladura bajo recubrimiento y voladura bajo agua Voladura de material detrtico. Desbroces Voladura bajo agua

6

INDICE

295 313

CAPITULO 15Explosivos en la industria petrolera Prospeccin sismogrfica. Mtodos Explosivos para ssmica y usos especiales Excavacin de zanjas para oleoductos

CAPITULO 16Seguridad en el uso de explosivos en voladura Normas y aspectos generales Transporte de explosivos Riesgos en aplicacin de explosivos. Tiros fallados Destruccin de explosivos Gases y polvo Proyeccin de rocas Vibraciones en voladura

333

BIBLIOGRAFIA

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EXPLOSIVOS

CAPITULO 1

L

os materiales explosivos son compuestos o mezclas de sustancias en estado slido, lquido o gaseoso, que por medio de reacciones qumicas de xido-reduccin, son capaces de transformarse en un tiempo muy breve, del orden de una fraccin de microsegundo, en productos gaseosos y condensados, cuyo volumen inicial se convierte en una masa gaseosa que llega a alcanzar muy altas temperaturas y en consecuencia muy elevadas presiones. As, los explosivos comerciales son una mezcla de sustancias, combustibles y oxidantes, que incentivadas debidamente, dan lugar a una reaccin exotrmica muy rpida, que genera una serie de productos gaseosos a alta temperatura y presin, qumicamente ms estables, y que ocupan un mayor volumen, aproximadamente 1 000 a 10 000 veces mayor que el volumen original del espacio donde se aloj el explosivo. Estos fenmenos son aprovechados para realizar trabajo mecnico aplicado para el rompimiento de materiales ptreos, en lo que constituye la tcnica de voladura de rocas. Los explosivos constituyen una herramienta bsica para la explotacin minera y para obras de ingeniera civil. Los procesos de reaccin segn su carcter fsico-qumico y el tiempo en que se realizan se catalogan como: A. Combustin

prcticamente extinguirse, de acuerdo al factor tiempo entre distancia (t/d) a recorrer. Tanto en la deflagracin como en la detonacin la turbulencia de los productos gaseosos da lugar a la formacin de la onda de choque. La regin de esta onda donde la presin se eleva rpidamente se llama frente de choque. En este frente ocurren las reacciones qumicas que transforman progresivamente a la materia explosiva en sus productos finales. Por detrs del frente de choque, que avanza a lo largo de la masa de explosivo, se forma una zona de reaccin, que en su ltimo tramo queda limitada por un plano ideal, que se denomina Plano de Chapman-Jouguet (CJ), en el cual la reaccin alcanza su nivel de equilibrio en cuanto a velocidad, temperatura, presin de gases, composicin y densidad, lo que se conoce como condiciones del estado de detonacin. En el plano CJ los gases se encuentran en estado de hipercompresin. La zona de reaccin en los altos explosivos es muy estrecha, slo de algunos milmetros en los ms violentos como TNT y dinamita gelatinosa y, por el contrario, es de mayor amplitud en los explosivos lentos o deflagrantes como el ANFO. Otra diferencia es que en el caso de una combustin o deflagracin, los productos de la reaccin de xido-reduccin se mueven en el sentido contrario al sentido de avance de la combustin, mientras que en el caso de una detonacin, los productos se desplazan en el mismo sentido de avance de la detonacin. Esto se evidencia por medio de la ecuacin fundamental conocida como la Condicin de ChapmanJouguet: VOD = S + W

Puede definirse como tal a toda reaccin qumica capaz de desprender calor pudiendo o no, ser percibida por nuestros sentidos, y que presenta un tiempo de reaccin bastante lento. B. Deflagracin

Donde: VOD S W : : : velocidad de detonacin. velocidad de sonido. velocidad de partculas (productos).

Es un proceso exotrmico en el que la transmisin de la reaccin de descomposicin se basa principalmente en la conductividad trmica. Es un fenmeno superficial en el que el frente de deflagracin se propaga por el explosivo en capas paralelas, a una velocidad baja, que generalmente no supera los 1 000 m/s. La deflagracin es sinnimo de una combustin rpida. Los explosivos ms lentos al ser activados dan lugar a una deflagracin en la que las reacciones se propagan por conduccin trmica y radiacin. C. Detonacin

DESARROLLO DE UNA DETONACION

Detonacin Velocidad de reaccin

Es un proceso fsico-qumico caracterizado por su gran velocidad de reaccin y por la formacin de gran cantidad de productos gaseosos a elevada temperatura, que adquieren una gran fuerza expansiva (que se traduce en presin sobre el rea circundante). En los explosivos detonantes la velocidad de las primeras molculas gasificadas es tan grande que no ceden su calor por conductividad a la zona inalterada de la carga, sino que los transmiten por choque, deformndola y produciendo calentamiento y explosin adiabtica con generacin de nuevos gases. El proceso se repite con un movimiento ondulatorio que afecta a toda la masa explosiva y que se denomina onda de choque, la que se desplaza a velocidades entre 1 500 a 7 000 m/s segn la composicin del explosivo y sus condiciones de iniciacin. Un carcter determinante de la onda de choque en la detonacin es que una vez que alcanza su nivel de equilibrio (temperatura, velocidad y presin) este se mantiene durante todo el proceso, por lo que se dice que es autosostenida, mientras que la onda deflagrante tiende a amortiguarse hasta

Transicin Deflagracin

t1

Tiempo

Donde se deduce que cuando W tiene un valor negativo, es decir cuando las partculas se mueven en el sentido contrario al avance de la reaccin de xido-reduccin, se tendr que VOD < S, lo que significa que la velocidad de avance de la reaccin es menor que la velocidad del sonido. En este caso se tiene un fenmeno de simple combustin o deflagracin subsnica. En resumen, deflagracin y detonacin son fenmenos de xido-reduccin, siendo la deflagracin de carcter subsnico, pues las ondas de compresin o dilatacin de baja densidad se

11

CAPITULO 1

propagan con una velocidad menor o igual que la del sonido dentro de los gases resultantes como producto de la combustin rpida, mientras que la detonacin es de carcter supersnico, pues las ondas de compresin se propagan a velocidad mayor que la del sonido con respecto al medio gaseoso resultante. En ambos casos la turbulencia de los productos gaseosos dar lugar a la formacin de la onda de choque y la regin de esta onda donde la presin aumenta rpidamente se denomina frente de choque, que es precisa-mente donde transcurren las reacciones fsico-qumicas que transforman progresivamente a la materia explosiva en sus productos finales. En general, respecto a la velocidad, los explosivos son considerados como:

a. b. c.

Deflagrantes: cuando la velocidad est por debajo de los 1 000 m/s. Detonantes de bajo rgimen: de 1 000 a 1 800 m/s (transicin entre deflagracin y detonacin). Detonantes de rgimen normal; con velocidades entre 1 800 y 5 000 m/s (categora a la que pertenecen casi todos los explosivos de uso industrial).

Detonantes de alto rgimen: cuando la velocidad est por encima de los 5 000 m/s (es el caso de los altos explosivos de uso militar). Desde el punto de vista de aplicacin en la voladura de rocas, la reaccin de detonacin se traduce en un fuerte efecto de impacto triturador, mientras que en una deflagracin este efecto es muy limitado.

PROCESO DE DETONACIONExplosivo (detonador) (FC) 3 2 (PCJ) 1 Proceso de detonacin: Detonador: crea la onda de choque iniciadora (1). La onda avanza a alta velocidad originando la reaccin de la masa, inicialmente en un punto, el que se amplia hasta ocupar el dimetro total del explosivo, donde este adquiere su velocidad mxima de detonacin (velocidad de rgimen constante VOD). Por detrs del frente de choque (FC) se forma la zona de reaccin (ZR) limitada por el plano de Chapman Jouget (PCJ) con la mxima temperatura y presin de detonacin; donde la masa explosiva se descompone para originar la zona de explosin (ZE) que le sigue (con temperatura y presin de explosin, muy elevadas). Explosivo rompedor (secundario) Explosivo iniciador (primario) detonador

(E) (FC)

(ZR) (PCJ)

(ZE)

E ZR ZE FC PCJ PT0 P1T1 P2T2 P3

PT0 P1T1 P2T2 P3 = explosivo an sin reaccionar = zona de reaccin = zona de explosin = frente de choque de la onda de detonacin = plano de Chapman Jouget (lmite de la zona de reaccin hacia la explosin) = presin cero = presin y temperatura de reaccin = presin y temperatura de explosin = presin de trabajo (efecto mecnico)

EXPLOSIN La explosin, por su parte, es un fenmeno de naturaleza fsica, resultado de una liberacin de energa tan rpida que se considera instantnea. La explosin es un efecto y no una causa.

B.

Explosin por oxidacin muy rpida del aire

La liberacin de energa generada por oxidacin muy rpida de un vapor, gas o polvo inflamable (gasolina, gris en las minas de carbn). C. Explosin nuclear

En la prctica se consideran varios tipos de explosin que se definen con base en su origen, a la proporcin de energa liberada y al hecho que desencadenan fuerzas capaces de causar daos materiales: A. Explosin por descomposicin muy rpida

Este tipo implica la liberacin instantnea de energa creada por fusin nuclear, tal como sucede en una bomba de hidrgeno o por fisin nuclear, tal como sucede en la bomba atmica (uranio). D. Explosin por exceso de presin

La liberacin instantnea de energa generada por una descomposicin muy rpida de materias inestables requiere una materia inestable (explosivo) y un procedimiento de detonacin.

Este tipo de explosin es el resultado de la liberacin instantnea de la energa generada por un exceso de presin en recipientes, calderos o envases y puede deberse a diversos factores como calentamiento, mal funcionamiento de vlvulas u otros motivos.

12

CAPITULO 1

E.

Ignicin espontnea

La energa almacenada en un explosivo se encuentra en forma de energa potencial, latente o esttica. La energa potencial liberada a travs del proceso de detonacin se transforma en energa cintica o mecnica. La Ley de Conservacin de la Energa establece que en cualquier sistema aislado la cantidad de energa es constante, aunque la forma puede cambiar, as: (Up + Uc) = cte. Donde: Up Uc : : energa potencial energa cintica

La ignicin espontnea puede producirse cuando tiene lugar un proceso de oxidacin lento de la materia sin una fuente externa de calor; comienza lentamente pero va hacindose ms rpido hasta que el producto se inflama por s solo (carbn mineral acumulado, nitrato de amonio apilado sin ventilacin). Para el caso de los explosivos, a consecuencia de la fase de detonacin y ms all del plano CJ, ocurrir una descompresin y baja de temperatura de los gases hasta que alcancen una condicin de densidad y presin que se conoce como condiciones del estado de explosin. TERMOQUMICA DE LOS EXPLOSIVOS Se refiere a los cambios de energa interna, principalmente en forma de calor.

Pero no toda la energa suministrada por un explosivo se transforma en trabajo til, ya que tienen lugar algunas prdidas, como vemos en el siguiente cuadro:

DISTRIBUCION DE LA ENERGIA POTENCIAL DE UN EXPLOSIVO EN LA VOLADURAEXPLOSION ENERGIA UTIL DE TRABAJO ENERGIA NO UTILIZABLE O PERDIDA

Energa de impacto de la onda de choque

Energa de presin de los gases en expansin

Vibratoria (Onda ssmica) Trmica (Calor)

Snica (Ruido) Luminosa (Destello) Fallas por disparo (Tiros fallados) (Fugas por fisuras)

Los efectos sumados de impacto y de presin producen primero la deformacin elstica y luego la rotura in situ de la roca, como craquelacin, gastando energa.

Energa remanente de la expansin de gases.

Prdida al ponerse los gases a alta presin en contacto con la atmsfera. Prdida al golpear las estructuras colindantes (cajas, techo, etc.).

Saldo o porcentaje utilizable para la rotura efectiva de fragmentos de roca.

Saldo final para el desplazamiento de los fragmentos dentro del montn de escombros (para empujar y apilonar la ruma de detritos).

Prdida al adicional en el impulso para proyeccin de fragmentos volantes (fly rocks).

Nota: la rpida cada de presin de detonacin en la voladura se debe tanto al aumento continuo de volumen de la cavidad inicial, como al enfriamiento de los gases. Por tanto, es condicin prioritaria ubicar y confinar adecuadamente la carga explosiva, iniciarla con fuerza y retener el proceso de detonacin dentro del taladro el mayor tiempo posible, para utilizar el mximo de energa en el taladro.

Los explosivos comerciales deben proporcionar suficiente energa remanente despus de la detonacin como para poder fracturar la roca, desmenuzarla, desplazar los fragmentos y apilarlos adecuadamente.

Los parmetros termoqumicos ms importantes de un proceso de reaccin son: presin, calor de explosin, balance de oxgeno, volumen de gases, temperaturas de explosin y energa disponible que en forma simple se definen como:

13

CAPITULO 1

A.

Presin

Efecto de la accin expansiva de los gases calientes de una explosin. a. Presin de detonacin

PD = e x (VOD) x 10 4

2

-3

En la que PD se ex...